Jak nie wiadomo o co chodzi, to chodzi o wiązania wodorowe
1. Co to jest wiązanie wodorowe?
To jedno z najważniejszych wiązań w przyrodzie i jednocześnie takie, które będzie często Cię nękać w maturalnych pytaniach.
Występuje ono wtedy, kiedy różnica elektroujemności pomiędzy pierwiastkiem oraz wodorem jest duża, a zatem samo wiązanie jest mocno spolaryzowane (pojawiają się częściowe ładunki ?ー oraz ?+ ). Obecność tych częściowych ładunków sprawia, że cząsteczki łączą się między sobą − jest to zatem wiązanie (oddziaływanie) międzycząsteczkowe, tj. występujące pomiędzy jedną, a drugą cząsteczką (a nie tak jak np. wiązanie kowalencyjne, które trzyma razem atomy i jest wiązaniem wewnątrzcząsteczkowym).
Wiązanie wodorowe na przykładzie dwóch cząsteczek wody.
Wiązanie wodorowe typowo występuje pomiędzy wodorem a tlenem, azotem oraz fluorem (czyli pierwiastkami silnie elektroujemnymi : N, O, F). Jest ono dużo słabsze niż inne, typowe wiązania (np. jonowe czy kowalencyjne) jednak powoduje ono nieprawdopodobne różnice we właściwościach cząsteczki! Odpowiadają one np. za ułożenie przestrzenne białek czy DNA, co ma kluczową rolę dla naszego istnienia. Typowym sposobem zapisu wiązania wodorowego są trzy kropki, na przykład :
HーF・・・ HーF
Obecność wiązań wodorowych powoduje wzrost temperatury wrzenia, czyli tak naprawdę energii, którą należy dostarczyć w postaci ciepła, aby spowodować parowanie. Aby to się wydarzyło należy przerwać wszystkie wiązania międzycząsteczkowe : jeśli zatem w cząsteczce występują dodatkowo wiązania wodorowe, to jest takich oddziaływań dużo więcej, stąd należy użyć wyższej temperatury.
Jak się ostatnio dowiedzieliśmy, temperatura wrzenia jest wprost proporcjonalna do masy molowej związku (pokazany poniżej trend dla wodorków z 14. grupy dobrze to obrazuje), zatem w przypadku wodorków 16. grupy spodziewalibyśmy się wzrostu temperatury wrzenia idąc w dół grupy, jednak to woda ma największą temperaturę wrzenia, co oczywiście wynika z tworzenia pomiędzy jej cząsteczkami wiązań wodorowych.
Wykres zależności temperatury wrzenia od masy molowej dla wodorków z 14. i 16. grupy. W tej pierwszej trend jest zgodny z naszymi przewidywaniami, ale dla 16. grupy mamy anomalię, za którą stoją oczywiście wiązania wodorowe.
2. Czy wiązanie wodorowe może być wewnątrzcząsteczkowe?
Tak, oczywiście. Po prostu w jednej cząsteczce potrzebujemy dwóch grup, które mogłyby tworzyć takie wiązania wodorowe. Najczęściej z takiego rodzaju wiązaniem będziemy się spotykać w chemii organicznej i nierzadko będzie to niosło ze sobą poważne konsekwencje oraz pojawianie się o to pytań (częściej na Olimpiadzie Chemicznej).
Wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe. Zignoruj ten dziwny sześciokąt po lewej stronie, wrócimy do niego z okazji chemii organicznej.
Obecność tego wewnątrzcząsteczkowego wiązania wodorowego oczywiście zwiększa temperaturę wrzenia tego związku, ale pełni też inną funkcję[1].
3. Dlaczego kwas fluorowodorowy jest słabszy od kwasu jodowodorowego ?
Między innymi[2] chodzi o to, że wiązanie HーF jest mocno spolaryzowane i cząsteczki HF występują w postaci asocjatów (podobnie jak woda). Występowanie takich wiązań wodorowych utrudnia dysocjację kwasu. Ze względu na małą różnicę elektroujemności między wodorem a jodem, między cząsteczkami jodowodoru takie wiązania wodorowe się nie tworzą i nie utrudniają dysocjacji HI.
Wiązanie wodorowe pomiędzy cząsteczkami HF.
4. Wiązania wodorowe są najmocniejszymi wiązaniami, jeśli chodzi o oddziaływania międzycząsteczkowe !
Mówiliśmy już o tym, że wiązania wewnątrzcząsteczkowe są znacznie mocniejsze niż oddziaływania międzycząsteczkowe i to prawda. Ale jeśli chodzi o te drugie, to wiązania wodorowe są królem i stanowią około 10% mocy wiązań ,,wewnętrznych”.
Są na tyle mocne, że nawet w stanie gazowym potrafią istnieć połączone ze sobą cząsteczki, właśnie za pomocą wiązań wodorowych. Tak jest chociażby w przypadku kwasu octowego o wzorze CH3COOH, który może występować w postaci dimerów (dwie takie same połączone ze sobą cząsteczki). Zobaczmy, jak coś takiego mogłoby wyglądać :
Dimer kwasu octowego z pokazaniem wiązań wodorowych.
5. Porównanie mocy różnych wiązań wodorowych
Jak myślisz, które wiązanie wodorowe będzie mocniejsze SーH・・・ O czy OーH・・・ S ?
Siarka ma mniejszą elektroujemność niż tlen, zatem częściowy ładunek dodatni na atomie wodoru w SーH będzie mniejszy niż ten sam ładunek w OーH (wiązanie to będzie mniej spolaryzowane).
Zatem wiązanie OーH・・・ S będzie mocniejsze ze względu na oddziaływanie większego częściowego ładunku dodatniego wodoru z wolną parą elektronową na siarce.
6. Czy lód pływa czy tonie w wodzie? Co jest tego przyczyną ?
Obserwujemy tutaj anomalię, ponieważ lód jako ciało stałe ma mniejszą gęstość od ciekłej wody, a zatem unosi się na jej powierzchni. Jest to spowodowane obecnością wiązań wodorowych, które ,,trzymają” cząsteczki wody w odpowiedniej odległości tworząc między nimi przestrzeń, co odpowiada za taką małą gęstość (mała masa, duża objętość).
[1] Powstały podczas dysocjacji tego kwasu anion jest bardziej stabilny, ze względu na wiązanie wodorowe pomiędzy grupą ーOH oraz powstałym anionem COOー . To powoduje, że stan równowagi przesuwa się w prawo, co oznacza że powstaje więcej jonów wodorowych i sam związek wykazuje większą kwasowość (jest mocniejszym kwasem)!
[2] Po pierwsze, wiązanie HーF jest dużo mocniejsze niż wiązanie HーI , co jest wynikiem większej długości wiązania wodoru z jodem (jod jest dużo większym atomem od fluoru). Dlatego też wiązanie HーI łatwiej rozerwać, co powoduje, że HI jest mocniejszym kwasem, ponieważ łatwiej dysocjuje.
Ze względu na niemoc twórczą w wymyślaniu tytułu tego postu przedstawiam poniżej wycinek z oficjalnych maturalnych wymagań, którymi się dziś zajmiemy.
Omawiamy typowe właściwości charakterystyczne ciał stałych.