Водородная связь

Пластиковая бутылка с водой, забытая в морозилке, раздувается, а стеклянная может лопнуть. Вода при замерзании расширяется. Плотность льда около 0,92 г/см³, меньше плотности жидкой воды, поэтому лёд плавает, а пруд зимой промерзает сверху. Большинство веществ в твёрдом виде плотнее, чем в жидком, и причина особого поведения воды — водородные связи.

Опыт со льдом показывает, что вода расширяется при замерзании

1. Налей воду в пластиковый стаканчик до половины и отметь уровень маркером.

2. Поставь стаканчик в морозильную камеру холодильника на ночь.

3. Утром посмотри на поверхность: лёд поднялся выше отметки, а в середине часто вырастает бугорок.

4. Брось кубик льда в стакан с водой из-под крана. Он плавает, и над водой выступает небольшая его часть.

5. Подожди, пока лёд растает, и проверь уровень в стакане: он почти не изменился.

Объём вырос. Масса прежняя. Значит, молекулы во льду упакованы менее плотно, чем в жидкой воде. В кристалле льда каждая молекула H₂O соединена водородными связями с четырьмя соседями, и вместе они образуют ажурную решётку с пустотами. При плавлении часть связей рвётся. Решётка оседает.

Водородную связь дают только атомы F, O и N рядом с водородом

Водородная связь — это притяжение атома водорода, связанного с сильно электроотрицательным атомом (F, O или N), к неподелённой электронной паре такого же атома другой молекулы или другого участка той же молекулы. В связи O–H электроотрицательный кислород оттягивает электронную пару на себя, и на водороде остаётся заметный частичный положительный заряд. Этот почти «голый» протон притягивается к неподелённой электронной паре кислорода соседней молекулы. На письме связь обозначают точками: O–H···O.

Водородная связь заметно слабее ковалентной, но сильнее обычного притяжения между молекулами. У метана CH₄ её нет: углерод слишком мало электроотрицателен. Нет её и у сероводорода, хотя сера стоит в одной группе с кислородом.

Водородные связи поднимают температуру кипения

Сравни два вещества. Вода кипит при 100 °C, а сероводород H₂S с почти вдвое большей молярной массой — около −60 °C. По логике молярных масс вода должна была бы быть газом при комнатной температуре. Чтобы вскипятить воду, надо оторвать каждую молекулу от соседей и разорвать водородные связи между ними, а на это уходит гораздо больше энергии, чем на испарение сероводорода, молекулы которого держит только слабое межмолекулярное притяжение.

С галогеноводородами та же история. Фтороводород HF кипит при 19,5 °C, хлороводород HCl — около −85 °C. Молекула HCl тяжелее почти вдвое, а кипит на сто с лишним градусов ниже. Фтор электроотрицательнее хлора, и только он даёт прочные водородные связи.

Тот же эффект у органических веществ. Этанол C₂H₅OH кипит при 78 °C и смешивается с водой в любых соотношениях, потому что его гидроксильная группа образует водородные связи с молекулами воды. Карбоновые кислоты в жидкости частично существуют в виде пар молекул, сцепленных двумя водородными связями.

Водородные связи держат двойную спираль ДНК

Двойную спираль ДНК описали Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик в 1953 году. Две цепи удерживаются водородными связями между азотистыми основаниями: аденин с тимином связан двумя такими связями, гуанин с цитозином — тремя. По отдельности каждая связь слабая. Но в длинной молекуле их очень много, поэтому цепи держатся прочно, и в то же время при копировании ДНК фермент может расплести двойную спираль участок за участком, не разрушая ни одной ковалентной связи внутри цепей. Водородные связи стабилизируют и спирали белковых молекул.

Водородную связь путают с ковалентной связью O–H

• ❌ Водородная связь — это связь H–H в молекуле водорода. ✅ В молекуле H₂ связь ковалентная неполярная, а водородная возникает между разными молекулами или участками молекулы.

• ❌ При кипении воды рвутся связи O–H. ✅ Рвутся водородные связи между молекулами, сами молекулы H₂O остаются целыми.

• ❌ У хлороводорода водородные связи есть, раз в нём есть водород. ✅ Нужен атом F, O или N рядом с водородом, у HCl прочных водородных связей нет.

В задачах ищут фрагменты O–H и N–H или считают пары оснований

Задача 1. Из перечня веществ (метан, этанол, сероводород, аммиак, водород) выбери два вещества, между молекулами которых образуются водородные связи.

1. Ищем фрагменты O–H, N–H или F–H.

2. В этаноле есть группа O–H, в аммиаке NH₃ — три связи N–H.

3. В метане водород связан с углеродом, в сероводороде с серой, в молекуле H₂ с водородом. Эти атомы для водородной связи не подходят.

Ответ: этанол и аммиак.

Задача 2. Вычисли объём льда, который получится при замерзании 460 г воды, и на сколько процентов он больше объёма воды. Плотность воды 1 г/см³, льда 0,92 г/см³.

1. Объём воды: 460 г при плотности 1 г/см³ занимают 460 см³.

2. Масса при замерзании не меняется. Объём льда: 460 / 0,92 = 500 см³.

3. Прирост объёма: 500 − 460 = 40 см³.

4. В процентах: 40 / 460 · 100 = 8,7 %.

Ответ: 500 см³, объём больше на 8,7 %.

Задача 3. Участок двойной цепи ДНК содержит 10 пар оснований, из них 4 пары Г–Ц, остальные А–Т. Вычисли число водородных связей между цепями на этом участке.

1. Пар А–Т: 10 − 4 = 6.

2. Пара Г–Ц держится на трёх водородных связях, пара А–Т на двух.

3. Всего: 4 · 3 + 6 · 2 = 24.

Ответ: 24 водородные связи.