Водородная связь.
Определение, энергия, типы водородной связи.
Водородная связь и сорбционные процессы.
Роль водородной связи в процессах жизнедеятельности

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» (СПБГТИ (ТУ))

Инженерно-технологический факультет

Реферат на тему:

«Водородная связь. Определение, энергия, типы водородной связи. Водородная связь и сорбционные процессы. Роль водородной связи в процессах жизнедеятельности»

Преподаватели:

Профессор В.А. Островский

Профессор В.В. Самонин

Студент:

А.В. Парахина

Санкт-Петербург 2013

Содержание

  • Введение
  • 1. Виды водородной связи
  • 2. Энергия водородной связи
  • 3. Влияние водородной связи на физические свойства вещества
  • 3.1 Свойства воды, обусловленные водородной связью
    • 3.1.1 Плотность воды
    • 3.1.2 Температура плавления и кипения
    • 3.1.3 Теплоемкость
    • 3.1.4 Очень высокое поверхностное натяжение
    • 3.2 Свойства органических веществ, обусловленные водородной связью
  • 4. Сорбенты
    • 4.1 Целлюлоза
    • 4.2 Декстран
    • 4.3 Агароза
    • 4.4 Сефакрил
    • 4.5 Полистирольные смолы
    • 4.6 Полиамидные смолы
    • 4.7 Силикагель
  • Заключение
  • Список литературы

Введение

Атом водорода, соединенный с атомом фтора, кислорода или азота (реже — хлора, серы или других неметаллов), может образовывать еще одну дополнительную связь. Это открытие, сделанное в восьмидесятых годах девятнадцатого столетия, связывают с именами русских химиков М. А. Ильинского и Н. Н. Бекетова. Было установлено, что некоторые водородсодержащие группы атомов часто образуют устойчивую химическую связь с электроотрицательными атомами, входящими в состав другой или той же самой молекулы. Такая химическая связь получила название водородной связи.

Водородная связь -- форма соединения между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом. В качестве электроотрицательных атомов могут выступать N, O или F. Водородная связь образуется между электроотрицательными атомами, из которых хотя бы один имеет свободную электронную пару.

1. Виды водородной связи

Водородные связи обнаружены во многих химических соединениях. Они возникают, как правило, между атомами фтора, азота и кислорода (наиболее электроотрицательные элементы), реже — при участии атомов хлора, серы и других неметаллов. Прочные водородные связи образуются в таких жидких веществах, как вода, фтороводород, кислородсодержащие неорганические кислоты, карбоновые кислоты, фенолы, спирты, аммиак, амины. При кристаллизации водородные связи в этих веществах обычно сохраняются. Поэтому их кристаллические структуры имеют вид цепей (метанол), плоских двухмерных слоев (борная кислота), пространственных трехмерных сеток (лед).

Различают два вида водородной связи:

Внутримолекулярная водородная связь — образуется между двумя группами одной и той же молекулы. Это особенно характерно для многих органических соединений.

Межмолекулярная водородная связь — образуется между атомом водорода одной молекулы и атомом неметалла другой. Молекулы могут образовывать довольно прочные пары, цепочки, кольца. Прочные связи между молекулами можно найти в воде, жидком аммиаке, спиртах. Необходимые для образования водородных связей атомы кислорода и азота содержат все углеводы, белки, нуклеиновые кислоты. Известно, например, что глюкоза, фруктоза и сахароза прекрасно растворимы в воде. Не последнюю роль в этом играют водородные связи, образующиеся в растворе между молекулами воды и многочисленными OH-группами углеводов[1].

2. Энергия водородной связи

Существуют несколько подходов к характеристике водородных связей. Основной критерий — это энергия водородного связывания, которая зависит как от природы атомов, участвующих в образовании этой связи, так и общего строения молекул веществ с водородными связями. Большей частью она составляет 10−30 кДж/моль, но в некоторых случаях может достигать 60−80 кДж/моль и даже выше. По энергетическим характеристикам различают сильные и слабые водородные связи. Энергия образования сильных водородных связей составляет 15−20 кДж/моль и более.

К ним относят связи между водородом одной молекулы и кислородом другой в воде, спиртах, карбоновых кислотах, связи между водородом и азотом в соединениях, содержащих гидроксильные, амидные и аминные группы, например в белках. Слабые водородные связи имеют энергию образования менее 15 кДж/моль. Нижним пределом энергии водородной связи является 4−6 кДж/моль, например связи между водородом и кислородом в кетонах, эфирах, водных растворах органических соединений[2]. Энергия водородной связи возрастает с увеличением электроотрицательности (ЭО) и уменьшением размеров атомов, с которыми проходит связывание.

Поэтому наиболее прочные водородные связи возникают, когда в качестве таких атомов выступают F, О или N. Несмотря на высокую ЭО у хлора, водородная связь — Н···Cl- относительно слабая из-за большого размера атома хлора. Наиболее прочные водородные связи образуются в случаях, когда маленький водород (жесткая кислота) одновременно связан с двумя малыми по размеру сильно электроотрицательными атомами (жесткие основания).

Орбитальное соответствие обеспечивает лучшее кислотно-основное взаимодействие и приводит к образованию более прочных водородных связей. То есть образование сильных и слабых водородных связей можно объяснить с позиций концепции жестких и мягких кислот и оснований (принцип Пирсона, принцип ЖМКО).

3. Влияние водородной связи на физические свойства вещества

Рассмотрим влияние водородной связи на физические свойства веществ, а следовательно и роль водородной связи. Наличием водородных связей обусловлены уникальные свойства многих веществ, в том числе воды. Трехатомная молекула Н2О образует четыре водородные связи. В их образовании принимают участие оба атома водорода, а атом кислорода, имеющий две не поделенные электронные пары, образует две водородные связи с атомами водорода соседних молекул воды. Если бы не было водородных связей, то температуры плавления и кипения воды были бы существенно ниже, как это наблюдается у других водородных соединений неметаллов. Наличие водородных связей влияет и на кислотные свойства многих веществ. Фтороводородная кислота, в отличие от других галогеноводородных кислот является слабой так как атомы водорода связаны сразу с двумя атомами фтора, что препятствует их отщеплению (по той же причине большинство карбоновых кислот являются слабыми). Благодаря особо прочным водородным связям фтороводородная кислота — единственная одноосновная кислота, способная образовывать кислые соли, например NaHF2.

3. 1 Свойства воды, обусловленные водородной связью

3.1.1 Плотность воды

Наибольшей плотности вода достигает при + 4 °C. При охлаждении водоёмов ниже + 4 °C более холодная вода как менее плотная остаётся сверху и перемешивание слоев прекращается. В дальнейшем самый охлаждённый слой с меньшей плотностью остаётся на поверхности, превращается в лёд и тем самым защищает лежащие ниже слои от замерзания. С понижением температуры увеличивается число водородных связей между её молекулами. Это приводит к такому расположению молекул воды относительно друг друга, при котором образуются пустоты между молекулами. Кристаллическая решётка льда имеет ажурное строение. Попробуем вообразить, как выглядел бы мир, если бы вода обладала, нормальными свойствами лёд был бы, как и полагается твёрдому веществу, плотнее жидкой воды. Зимой образовавшийся сверху лёд, как более плотный, тонул бы, непрерывно опускаясь на дно водоёма. Летом же лёд, защищённый толщей воды, не смог бы растаять. Постепенно все озёра, пруды, реки, ручьи превращались бы в гигантские ледяные гроты. Промёрзли бы моря, океаны. Наш мир был бы сплошной ледяной пустыней, кое-где покрытой тоненьким слоем талой воды.

Это свойство в технике доставляет определённые трудности. Например, зимой необходимо сливать воду из радиаторов автомобилей, систем водяного отопления, если они не подогреваются. При замерзании объём воды увеличивается примерно на 11%. Если такой процесс идёт в замкнутом пространстве, то возникает громадное избыточное давление, превышающее атмосферное порой в 2500 раз. В результате вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы, не говоря уже о тонких трубах водяного отопления жилых помещений.

Так же если бы растения не готовились к зиме, то вода, которая течет по их сосудам, при замерзании разрывала бы их, и растение бы погибло. Водородные связи в немалой степени способствуют образованию кристаллов в виде снежинок и измороси.

водородный физический плавление сорбент

3.1. 2 Температура плавления и кипения

За счёт водородной связи молекулы объединяются друг с другом и образуют целые группы молекул. Это затрудняет испарение воды, а, следовательно, повышает температуру плавления и кипения.

Соседи воды, водородные соединения серы, селена, теллура — газы, их температура плавления ниже 0. Вода превращается в пар при значительно более высокой температуре, хотя относительная молекулярная масса у нее наиболее низкая, значит, и температура кипения должна быть самая низкая. Эта аномалия объясняется сцеплением молекул за счет водородной связи, что затрудняет испарение воды, а значит, и повышает температуру кипения и плавления. Если бы не было водородных связей, вода кипела бы при t -70 оСи замерзала бы при — 900 С.

Таблица 1 — Температура кипения галогенводородов

H2Te

H2Se

H2S

H2O

tкип, oС

?2

?42

?60

100

3.1.3 Теплоемкость

Теплоёмкость воды составляет 4,18 Дж/г ·К. Это в 10 раз больше, чем у железа, в 40 раз больше, чем у золота. Ни одно вещество не требует таких больших затрат теплоты для повышения его температуры на 1 °C.В ночное время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно. Днём или при переходе от зимы к лету она медленно нагревается. Это делает воду регулятором и переносчиком тепла на всей планете.

3.1. 4 Очень высокое поверхностное натяжение

В отсутствие силы тяжести вода имеет форму шара, которую мы можем наблюдать при падении капель, а космонавты — в космическом корабле. Сферическая форма воды связана с поверхностным натяжением, которое обусловлено способностью молекул воды сцепляться (когезия). Это сцепление молекул вызвано водородными связями. Молекулы воды в поверхностном слое испытывают действие сил межмолекулярного притяжения только с одной стороны. Молекулы, находящиеся во внутренних слоях, стараются втянуть молекулы наружного слоя внутрь, и вследствие этого образуется упругая внешняя плёнка, благодаря которой некоторые предметы (стальная иголка) могут лежать на поверхности воды, слегка её прогибая, или например, в стакан можно постепенно добавлять воду так чтобы образовалась выпуклая поверхность, которая так же будет удерживаться за счет поверхостного натяжения. Многие насекомые (водомерки и др.) легко скользят по поверхности воды. Маленькие улитки- прудовики и катушки — ползают по внутренней стороне плёнки, как по твёрдой поверхности, в поисках пищи. У воды самое высокое поверхностное натяжение из всех жидкостей, кроме ртути. Поверхность воды всегда затянута тончайшей пленкой из молекул, прочно соединенных водородными связями. Водная пленка выдерживает значительные давления. Силы поверхностного натяжения заставляют воду подниматься из глубины почвы и питать растения. Вода сама поднимается вверх по капиллярным сосудам стволов деревьев и стеблям трав[3].

3.2 Свойства органических веществ, обусловленные водородной связью

Водородные связи влияют на перераспределение электронной плотности в молекулах, что не может не отразиться на свойствах веществ. С увеличением энергии водородной связи перераспределение электронной плотности затрагивает все атомы молекул, входящих в молекулярный комплекс, что в конечном итоге приводит к глубоким изменениям физических и химических свойств веществ. На свойства органических соединений оказывают значительное влияние как внутри-, так и межмолекулярные водородные связи. Влияние последних, особенно на физические свойства, является более существенным, так как межмолекулярные взаимодействия приводят к увеличению молекулярной массы со всеми вытекающими последствиями.

Образование внутри- и межмолекулярных водородных связей может существенно влиять на ход и скорость химических реакций. что скорость реакций может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от того, как при образовании водородной связи будет перераспределяться электронная плотность в реакционных центрах молекулы.

Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты. В частности, элементы вторичной структуры (например, б-спирали, в-складки) и третичной структуры в молекулах белков, РНК и ДНК стабилизированы водородными связями. В этих макромолекулах, водородные связи сцепляют части той же самой макромолекулы, заставляя её сворачиваться в определенную форму. Например, двойная спиральная структура ДНК, определяется в значительной степени наличием водородных связей, сцепляющих пары нуклеотидов, которые связывают одну комплиментарную нить с другой.

Многие полимеры усилены водородными связями в их главных цепях. Среди синтетических полимеров самый известный пример — нейлон, где водородные связи играют главную роль в кристаллизации материала. Водородные связи также важны в структуре полученных искусственно полимеров (например, целлюлозы) и в многих различных формах в природе, таких как древесина, хлопок и лён[4].

4. Сорбенты

На данный момент существует большое количество различных сорбентов, которые применяются как в промышленности. Их действие основано на образовании водородных связей.

4. 1 Целлюлоза

Для целлюлозы характерна высокая степень гидрофильности и склонность к образованию многочисленных водородных связей между нитями полимеров. Сама целлюлоза не является отличным сорбентом, так как неустойчива к микроорганизмам. Так же для использования целлюлозы необходима ее обработка и качество может варьироваться даже от партии к партии, но она отлично подвергается различным модификациям путем химического присоединения разнообразных заместителей, например ионогенных групп или биологически активных молекул.

Рабочий интервал рН для обменников на основе обычной целлюлозы составляет 3 — 10. Модифицированные формы целлюлозы имеют более совершенные свойства, они устойчивы к воздействию микроорганизмов имеет большее высокую разрешающую способность. Сорбенты на основе целлюлозного волокна часто используются для отчистки сточных вод и разливов нефти.

4. 2 Декстран

Декстран также представляет собой полисахарид -- в основном линейный полимер на основе глюкозы. Это тоже полиатомный спирт с высокой степенью гидрофильности, предоставляющий столь же широкие, как и целлюлоза, возможности для модификации и также химически инертный. Устойчивость к действию кислот у декстрана еще меньше, чем у целлюлозы. Рабочий диапазон рН составляет 2−12.

4. 3 Агароза

Как и две предыдущие матрицы, агароза является полисахаридом, т. е. полиатомным спиртом. Ее элементарным звеном служит дисахарид агаробиоза. в состав которого входит необычный сахар — 3. 6-ангидро-L-галактоза. Из-за этого агароза более устойчива к действию микроорганизмов, чем целлюлоза и сефадексы.

Агароза очень гидрофильна, а ее полимерные нити еще в большей степени, чем нити целлюлозы, склонны к образованию водородных связей. В условиях хроматографии агароза химически неактивна, но уязвима для действия кислот, щелочей и окислителей. Рабочий диапазон рН при использовании матриц из обьгчной агарозы лежит в пределах 4−9. Существует в виде крупнопористого геля.

Агароза для хроматографии поставляется в виде суспендированных в воде сферических гранул диаметром 60-- 200 мкм, которые в таком виде и следует хранить. При кратковременном обсыхании колонки, заполненной агарозой, пока гранулы не начали терять находящуюся в них жидкость, хроматографнческне характеристики сорбента еще могут быть восстановлены. Если же подсыхание гранул началось, то гель приходится выбрасывать (разумеется, его можно расплавить и использовать, например, для электрофореза, но гранулированная структура будет уже утрачена).

4. 4 Сефакрил

Сефакрил представляет собой жесткий гель, пористость которого легко контролировать и поставляется в виде суспензии набухших гранул с размерами 40--105 мкм. Он гидрофилен, химически инертен. Рабочий диапазон рН -- 2−11.

4. 5 Полистирольные смолы

Нити линейного полимера полистирола, химически «сшитые» молекулами дивинилбеизола в жесткую пространственную сетку выпускаются в виде сухих сферических гранул под торговым названием «смол». Немодифицированные полистиролыше смолы гидрофобвы. Модификация осуществляется присоединением ионогенных групп по остаткам бензола в пара-положении. Это придает смоле в целом гидрофильность, хотя возможность и склонность к гидрофобным взаимодействиям с фракционируемым материалом сохраняется. Химически они очень устойчивы и выдерживают нагревание до 120 °C. При замачивании гранулы набухают, связывая (в зависимости от пористости) от 1 до 3 мл воды на 1 г сухой смолы.

4. 6 Полиамидные смолы

Название «полиамиды» объединяет группу различных гетероцепных полимеров, содержащих повторяющуюся амидную группу --СО--NН--. Они могут быть получены путем гомополиконденсации аминокарбоновых кислот (например, е-аминокапроновой кислоты). Амидные группы обеспечивают в целом достаточную степень гидрофильности полимера, но и гидрофобные свойства могут быть выражены, причем тем заметнее, чем длиннее углеводородная цепочка исходной аминокарбоновой кислоты. Полиамидные смолы используют главным образом для тонкослойной хроматографии. Они выпускаются в виде порошков или готовых пластинок для ТСХ с полиамидным покрытием.

4. 7 Силикагель

Это аморфное вещество с общей химической формулой SiO2*H2O. Закислением раствора силиката натрия получают золь ортокремневой кислоты (SiO2*2H2O), затем его «состаривают», промывают и сушат. В процессе «старения» золя идет его поликонденсация в микрочастицы, которые затем образуют конгломераты, пронизанные капиллярами (порами) со средним линейным размером в пределах 3--30 нм. Удельная поверхность силикагелей может достигать очень больших значений -- порядка 600 м2/г. В зависимости от технологии приготовления можно получить различные размеры микрочастиц и пор между ними. От нее весьма существенно зависит и разброс этих размеров, а также поверхностные свойства материала, что весьма существенно влияет на хроматографическио характеристики матриц. Поэтому не удивительно, что силикагелн различных марок, имеющие, согласно фирменным данным, как будто одинаковые параметры, по-разному проявляют себя в хроматографнческом процессе. Атомы кислорода находятся в вершинах тетраэдра, что обусловливает более сложную пространственную структуру микрочастиц. Однако сейчас представляют интерес две особенности этой схемы, очевидно, сохраняющиеся и при построении пространственной системы. Во-первых, атомы кремния жестко связаны между собой кислородными мостиками; во-вторых, на поверхности микрочастиц, а следовательно, в порах и на поверхности гранул силикагеля должны в большом количестве находиться силанольные группы -- связанные с кремнием гидроксилы. В результате последнего обстоятельства силикагель очень гидрофилен: силанольные группы охотно образуют водородные связи с молекулами воды. Общеизвестно, что силикагель широко используется в качестве осушителя; по этой же причине он является прекрасным сорбентом. Немодифицированный силикагель достаточно инертен, хотя следует помнить, что силанольные группы делают его поверхность слегка кислой. Рабочий диапазон рН для таких силикагелей лежит в нейтральной и кислой области (рН 3--8). В щелочной среде силикагель приобретает химическую активность, но вместе с тем постепенно разрушается (растворяется) водой. Химическая модификация силикагеля производится по тем же силанольным группам. Его пористая структура при этом сохраняется. Один из видов модификации лишает силнкагель адсорбционной способности, сохраняя гидрофильность; такая матрица удобна для гель-фильтрации. Немодифицированный спликагель используют для адсорбционной хроматографии[5].

Заключение

Роль водородной связи бесспорно огромна. Она широко распространена и может возникать при разных условиях. Существование водородной связи способно влиять на структуру и свойства различных веществ. Роль водородных связей в живой материи определяется не только тем, что без этих связей нельзя себе представить структуру белков (носителей жизни) или двойную спираль нуклеиновых кислот. Без водородных связей совершенно иными были бы физические и химические свойства самого распространенного вещества на Земле — воды, в которой и зародилась жизнь.

Список литературы

[1] http: //www. alhimik. ru/stroenie/gl14. html

[2] Степанов Н. Ф. Водородная связь: как ее понимать // Соросовский образовательный журнал, 2001, № 2, с. 28−34.

[3] Зацепина Г. Н., Физические свойства и структура воды, МГУ, Москва 1998.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой