Водородная связь - зто связь между положительно заряженным атомом водорода одной молекулы и отрицательно заряженным атомом другой молекулы. Водородная связь имеет частично электростатический, частично донорно-акцепторный характер.
Возникновение водородной связи можно в первом приближении объяснить действием электростатических сил. При образовании полярной ковалентной связи между атомом водорода и атомом фтора электронное облако, первоначально принадлежащее атому водорода, сильно смещается к атому фтора. В результате атом фтора приобретает значительный эффективный отрицательный заряд, а ядро атома водорода (протон) с <внешней> по отношению к атому фтора стороны почти лишается электронного облака. Обладая ничтожно малыми размерами и, в отличие от других катионов, не имея внутренних электронных слоев, которые отталкиваются отрицательно заряженными атомами, ион водорода проникает в электронные оболочки других атомов. Поэтому между протоном атома водорода и отрицательно заряженным атомом фтора соседней молекулы HF возникает электростатическое притяжение, образуется водородная связь.
Процесс образования водородной связи при взаимодействии двух молекул HF может быть представлена следующей схемой:
H - F + H - F = H - F s - : H s + - F
Условием образования водородной связи является высокая электроотрицательность атома, непосредственно связанного в молекуле с атомом водорода. Только при этом условии электронное облако атома водорода достаточно сильно смещается в сторону атома-партнера, а последний приобретает высокий эффективный отрицательный заряд. Именно поэтому водородная связь характерна для соединений самых электроотрицательных элементов: сильнее всего она проявляется у соединений фтора и кислорода, слабее - у соединений азота и еще слабее - у соединений хлора и серы.
Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи (150-400 кДж/моль). Она равна примерно 8 кДж/моль у соединений азота и достигает около 40 кДж/моль у соединений фтора. Однако этой энергии достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул , т.е. их объединение в димеры (удвоенные молекулы) или полимеры , которые в ряде случаев не только в жидком состоянии вещества, но сохраняются и при переходе его в пар. Именно ассоциация молекул, затрудняющая отрыв их друг от друга, и служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород, вода, аммиак. Вода, в отсутствие водородных связей, должна была бы кипеть при температуре около - 66 0 С, а кипит при + 100 0 С. Только при кипении происходит разрыв всех водородных связей в воде.
В структуре льда водородные связи между молекулами воды образованы в максимально возможном количестве и располагаются по отношению к ковалентным связям О - Н у каждой молекулы под углами, близкими к тетраэдрическим.
При этом длина водородной связи приблизительно в 2 раза больше (180 пм) длины ковалентной связи О - Н (99 пм), а прочность водородной связи О - Н составляет около 20 кДж/моль.
Водородная связь играет большую роль в процессах, происходящих при обычных температурах. Она обусловливает спиральные конфигурации вторичной структуры молекул белков, нуклеиновых кислот и важна в биологических процессах, например, в механизме памяти. Водородная связь ответственна за сильную ассоциацию молекул и диэлектрическую постоянную не только воды, но и спиртов, и других жидкостей. Благодаря водородным связям лед легче жидкой воды, так что лед образуется на поверхности воды и предохраняет оставшуюся жидкую воду от потери тепла.