- Водородная связь
- Характеристика водородной связи
- Внутримолекулярная водородная связь в молекуле ДНК
- знать понятие «водородная связь»
- уметь называть условия образования водородной связи; составлять схему образования водородной связи между и внутри молекул
Теоретический расчёт температуры кипения воды показывает 66 °С, однако экспериментальные данные показывают температуру 100 °С. Чем это объяснить?
Аномально высокая температура кипения воды объясняется тем, что при нагревании энергия сначала расходуется на разрыв водородных связей между молекулами воды, а затем на нагревание самих молекул. В результате температура кипения увеличивается.
Водородная связь имеет огромное биологическое значение. Она определяет конфигурации вторичной, третичной, четвертичной структуры белка, спиральную конфигурацию ДНК. Благодаря водородным связям лёд легче жидкой воды, а значит, он образуется на поверхности воды и предохраняет оставшуюся жидкость от потери тепла.
Водородная связь
В молекулах воды связи полярны, на атоме кислорода сосредоточен избыток отрицательного заряда δ-. Атом водорода, наоборот, приобретает небольшой положительный заряд δ+ и может взаимодействовать с неподеленными парами электронов атома кислорода соседней молекулы воды, образуя водородную связь (рис. 1, 2).
Взаимодействие между молекулами воды оказывается достаточно сильным, так что даже в парах воды присутствуют димеры состава тримеры
и т. д.
В 1991 г. в парах воды были обнаружены частицы в которых ион окружён двадцатью молекулами соединёнными водородными связями.
Водородная связь — это связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы или отдельной части молекулы и отрицательно поляризованным атомом другой молекулы или другой части молекулы. Водородную связь схематично изображают точками или пунктиром между атомами. Знаками δ+ и δ− обозначены заряды, возникающие на соединяющихся атомах из-за смещения электронных пар.
Рис. 3. Межмолекулярная водородная связь
В основе образования водородной связи лежит как электростатическое взаимодействие диполей, так и донорно-акцепторное взаимодействие положительно поляризованного атома водорода одной молекулы и неподеленной электронной пары сильно электроотрицательного элемента другой молекулы.
Водородная связь может быть не только межмолекулярной, но и внутримолекулярной.
Внутримолекулярные водородные связи имеются в многоатомных спиртах, углеводах, белках и других органических веществах.
Рис. 4. Внутримолекулярная водородная связь
Для образования водородной связи необходимо соблюдение трёх условий:
- Атом водорода должен иметь возможность взаимодействовать одновременно с двумя атомами А и В, причём в идеальном случае фрагмент А—Н—В линейный;
- Элементы А и В должны обладать высокой электроотрицательностью;
- Электронная система атомов А и В должна быть ненасыщенной, тогда они могут образовывать дополнительную химическую связь.
Пример 1
Запишите схему образования водородной связи между двумя молекулами фтороводорода
Решение
Фтор — самый электроотрицательный элемент. При образовании полярной ковалентной связи между атомом водорода и атомом фтора электронное облако, первоначально принадлежавшее атому водорода, сильно смещается к атому фтора. При этом атом фтора приобретает значительный эффективный отрицательный заряд, а атом водорода приобретает небольшой положительный заряд.
Рис. 5. Межмолекулярные водородные связи в молекуле фтороводорода
Причём между положительно заряженным атомом водорода и отрицательно заряженным атомом фтора соседней молекулы возникает электростатическое притяжение. Так как атом водорода с «внешней» по отношению к атому фтора стороны практически лишается электронной оболочки, он может взаимодействовать с неподеленными электронными парами атома фтора соседней молекулы фтороводорода. Результатом такого взаимодействия является образование водородной связи (рис. 5).
Характеристика водородной связи
Водородная связь характеризуется направленностью и насыщаемостью. Водородная связь примерно в 10 раз слабее, чем ковалентная полярная. Энергия водородной связи варьируется в пределах 15–40 кДж/моль.
Энергия водородной связи тем больше, чем больше электроотрицательность и меньше размеры атома-партнёра водородного атома.
Следовательно, наиболее прочная водородная связь возникает между молекулами фтороводорода.
Наличие водородной связи влияет на физические свойства веществ, приводя к повышению их температур плавления и кипения, уменьшению плотности и увеличению растворимости в сильно полярных растворителях.
Пример 2
Из предложенного перечня выберите два вещества, в которых присутствует водородная связь:
1) ,
2) ,
3) ,
4) ,
5) .
Решение
Водородные связи имеются у всех веществ, в молекулах которых есть полярная связь В приведённом перечне таких веществ два — уксусная кислота и метанол
Упражнение 1
1. Водородной связи нет в соединении:
1) , 2) , 3) , 4) .
2. Соединение ассоциировано в жидкость за счёт образования водородных связей:
1) , 2) , 3) , 4) .
3. Образует димеры за счёт образования водородных связей:
1) спирт, 2) аммиак, 3) вода, 4) карбоновая кислота.
Внутримолекулярная водородная связь в молекуле ДНК
Рис. 6. Схема молекулы ДНК
Водородные связи играют важную роль во многих физико-химических и биологических процессах. Внутримолекулярная водородная связь определяет структуру белка и двойную спираль ДНК (рис. 6).
Разрушение вторичной структуры белка приводит к его денатурации. Каждая половинка двойной спирали представляет собой полимер, построенный из четырёх видов нуклеотидов, — полинуклеотид. Строгий порядок расположения остатков нуклеотидов одной цепи ДНК напротив нуклеотидов другой формируется именно за счёт водородных связей по принципу комплементарности: между остатками аденинового (А) и тиминового (Т) нуклеотидов — две водородные связи, между цитозиновым (Ц) и гуаниновым (Г) — три водородные связи. Водородные связи играют важную роль в процессе передачи наследственной информации.
При самоудвоении ДНК водородные связи материнской молекулы разрываются и синтезируются две новые цепи полинуклеотидов в соответствии с принципом комплементарности. В итоге возникают две новые молекулы ДНК, в каждой из которых одна цепь была взята из материнской ДНК, а вторая, комплементарная ей, была выстроена заново (рис. 7).
Рис. 7. Схема репликации молекулы ДНК
Водородные связи — основа соблюдения строгой программы синтеза мРНК и затем соответствующего белка. Следовательно, без водородных связей невозможно было бы существование белковых организмов на нашей планете.
Рис. 8. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик
В мае 1952 года Розалинд Франклин получила рентгенограмму волокон натриевой соли, получившую название «фотография 51», и доказала спиральную структуру ДНК. 28 февраля 1953 года Уотсон и Крик расшифровали структуру ДНК. За открытие структуры двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) американские биологи Джеймс Уотсон и Френсис Крик были удостоены Нобелевской премии (рис. 8).
Контрольные вопросы
- С атомами каких элементов атом водорода обычно образует водородные связи?
- Какие виды взаимодействия обусловливают образование водородной связи?
- В каких пределах варьируется энергия водородной связи?
Ответы
Упражнение 1
1) 3
2) 1
3) 4
