IV.4.1. Legătura de hidrogen.

Legătura ionică, legătura metalică și legătura covalentă sunt legături chimice puternice.

Între molecule se stabilesc legături intermoleculare (interacții între molecule), care sunt mult mai slabe decât legăturile chimice, dar au un rol important în determinarea proprietăților fizice ale compușilor moleculari.

Interacțiile între molecule sunt de trei feluri:

• Legătura de hidrogen;

• Legătura dipol-dipol;

• Forțe van der Waals.

Legătura de hidrogen este o legătură de natură electrostatică și care se formează între molecule puternic polare ce conțin atomi de hidrogen și un element cu electronegativitate mare și un volum mic (F, O, N).

Legăturile de hidrogen se întâlnesc în compuși ca HF, H₂O, NH₃, precum și în cei care conțin legături

O consecință a formării legăturilor (punților) de hidrogen este formarea asociațiilor moleculare de tipul (HF)_n, (H₂O)_n etc.

Legătura de hidrogen se datorește unei atracții pe care atomul de nemetal, puternic electronegativ, parțial ionizat negativ, o exercită asupra atomului de H, parțial ionizat pozitiv, din molecula vecină. Tăria ei scade odată cu scăderea electronegativității atomului, F > O > N

Exemple

👀 Experiment: Tensiunea superficială a apei

Materiale necesare:
Vas cu apă, detergent de vase, ac, zahăr, cerneală, pipetă.

Descrierea experimentului:

• Pune apă cu o pipetă pe suprafața unei monede. Ce observi ?
• Așază un ac pe suprafața apei dintr-un pahar. Ce observi ?
• Umple un pahar cu apă și așază un carton pe suprafața apei. Pe marginea cartonului așază un obiect nu foarte greu (o cutiuță cu chibrituri). Ce observi ?
• În apa dintr-o caserolă pune o cutiuță de plastic, care să plutească. Adaugă detergent de vase. Ce observi ?
• Dizolvă 2-3 lingurițe de zahăr într-un pahar transparent cu apă. Pune cu pipeta, picătură cu picătură, cerneală (albastru de metilen) pe suprafața apei. Ce observi ?

Concluzia experimentului:
Moleculele lichidului de la suprafața dintre un lichid și aer sunt atrase mai mult înspre interior de moleculele aflate în adâncimea lichidului și mai puțin de moleculele din aer. Astfel apare o forță interioară la suprafața lichidului numită tensiune superficială, care determină ca suprafața lichidului să se comporte ca o membrană elastică întinsă, foarte tensionată. Din această cauză, sub acțiunea forțelor moleculelor din interior, suprafața liberă a lichidului tinde spre o suprafață minimă (formă sferică).

În acest fel se formează picăturile, care au formă sferică.

Apa are cea mai mare tensiune superficială (72,8 millinewton pe metru la 20 °C) dintre toate lichidele (în afară de mercur).

Apa are una dintre cele mai mari tensiuni superficiale datorită atracției reciproce relativ ridicate a moleculelor de apă prin legături de hidrogen.

Legătura de hidrogen se datorează unei atracții pe care atomul de nemetal (de exemplu, oxigenul), puternic electronegativ și parțial ionizat negativ, o exercită asupra atomului de H, parțial ionizat pozitiv, din molecula vecină.

Tensiunea superficială a apei împiedică atât scufundarea unui ac pus pe suprafața apei, cât și revărsarea apei din pahar. Când așezăm acul pe suprafața apei acesta produce o curbură a formei suprafeței apei care duce la mărirea ariei. Suprafața apei tinde continuu spre realizarea ariei minime și va împinge acul care o deformează.

Anumite insecte mici (păianjeni, libelule, țânțari, muște, gândaci, albine etc.) pot merge pe apă, folosindu-se de tensiunea superficială a apei.

Substanțele cu legături de hidrogen prezintă valori mai mari ale unor constante fizice (puncte de topire, puncte de fierbere, densități, solubilitate etc.) față de substanțele de același tip al elementelor vecine din tabelul periodic (HCl, H₂S, PH₃).

Apa este cea mai răspândită substanță de pe planetă, având valorile unor constante fizice mult diferite față de substanțele de același tip cu ea.

- Valorile ridicate ale punctelor de topire (0°C) și de fierbere (100°C) se datorează asocierii moleculelor prin legături de hidrogen.

- Prin solidificare, apa își mărește volumul și îi scade densitatea, fenomen numit anomalia apei. Explicația acestui fapt este că, în gheață se găsește un număr aproape dublu de legături de hidrogen față de apă, gheața având o structură afânată.

- Apa are o căldură specifică (căldura absorbită pentru a crește cu un grad temperatura unui kg de apă) mare comparativ cu alte lichide, deoarece ea absoarbe mai multă căldură pentru a-i crește temperatura, o parte din această căldură fiind utilizată pentru ruperea legăturilor de hidrogen.

- Apa are o căldură latentă specifică de vaporizare (căldura absorbită pentru a schimba un kg de substanță lichidă în gaz la temperatură constantă ) foarte mare, deoarece are nevoie de o cantitate suplimentară de căldură pentru a trece în vapori o anumită cantitate de apă. Aceasta se explică prin faptul că legăturile de hidrogen trebuie rupte pentru ca moleculele să fie eliberate sub formă de gaz.

- Apa are o căldură latentă specifică de topire (căldura absorbită pentru a schimba un gram de substanță solidă în lichid la temperatură constantă ) foarte mare, deoarece are nevoie de o cantitate suplimentară de căldură pentru a trece în lichid o anumită cantitate de gheață. Aceasta se explică prin faptul că legăturile de hidrogen trebuie rupte pentru ca moleculele să fie eliberate sub formă de lichid.