Характеристики ковалентной связи. Полярность молекул

Полярность молекулы определяется не только полярностью связей, но и геометрией. Молекулы \(\ce{CO2}\) (линейная), \(\ce{CCl4}\) и \(\ce{CH4}\) (тетраэдр), \(\ce{BF3}\) (плоский треугольник), \(\ce{BeCl2}\) (линейная) неполярны, хотя связи в них полярные — диполи связей компенсируют друг друга. \(\ce{H2O}\) (угловая, 104,5°), \(\ce{NH3}\) (тригональная пирамида), \(\ce{SO2}\) (угловая), \(\ce{HCl}\) — полярные молекулы.

Межмолекулярные взаимодействия. Между молекулами действуют слабые межмолекулярные силы (силы Ван-дер-Ваальса). Они в десятки раз слабее химических связей внутри молекулы, но именно они удерживают молекулы в жидкости и в молекулярном кристалле. Эти силы растут с размером молекулы, поэтому при обычных условиях фтор и хлор — газы, бром — жидкость, иод — твёрдое вещество.

Водородная связь — особый, более сильный вид межмолекулярного взаимодействия. Если атом водорода соединён с атомом фтора, кислорода или азота, общая пара сильно смещена от водорода, и он притягивается к неподелённой паре атома \(\ce{F}\), \(\ce{O}\) или \(\ce{N}\) соседней молекулы: \(\mathrm{X{-}H\cdots Y}\). Водородные связи между молекулами вещества образуются, если в молекуле есть связь \(\ce{H-F}\), \(\ce{O-H}\) или \(\ce{N-H}\): у фтороводорода, воды, пероксида водорода, аммиака, спиртов (в том числе этиленгликоля и глицерина), фенола, карбоновых кислот, первичных и вторичных аминов, глюкозы и сахарозы, кислородсодержащих кислот (\(\ce{H2SO4}\), \(\ce{HNO3}\), \(\ce{H3PO4}\)). Не образуются они у углеводородов, галогенпроизводных, альдегидов и кетонов, простых и сложных эфиров, третичных аминов, у водорода, азота, кислорода, галогенов, углекислого газа, иодо- и бромоводорода, фосфина и силана.

Атом кислорода или азота в молекуле сам по себе водородных связей между молекулами не даёт — нужен атом водорода при этом атоме. В формальдегиде, ацетоне, диэтиловом эфире, метилацетате, триметиламине связей \(\ce{O-H}\) и \(\ce{N-H}\) нет; между собственными молекулами эти вещества водородных связей не образуют, но их кислород (азот) принимает водородную связь от молекул воды — поэтому формальдегид и ацетон неограниченно смешиваются с водой. Водородная связь объясняет аномально высокие температуры кипения: вода кипит при 100 °C, а сероводород — при −60 °C; фтороводород — при 19,5 °C, хлороводород — при −85 °C; этанол — при 78 °C, а его изомер диметиловый эфир, где связи \(\ce{O-H}\) нет, — при −24 °C.