Τι προκαλεί τη δέσμευση υδρογόνου;

Η σύνδεση υδρογόνου συμβαίνει μεταξύ ενός υδρογόνο άτομο και ένα ηλεκτροαρνητικό άτομο (π.χ., οξυγόνο, φθόριο, χλώριο). Ο δεσμός είναι ασθενέστερος από έναν ιονικό δεσμό ή ομοιοπολικό δεσμό, αλλά είναι ισχυρότερος από van der Waals (5 έως 30 kJ / mol). Ένας δεσμός υδρογόνου ταξινομείται ως ένας τύπος ασθενούς χημικού δεσμού.

Ο λόγος δεσμού υδρογόνου συμβαίνει επειδή το ηλεκτρόνιο δεν μοιράζεται ομοιόμορφα μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου και ενός αρνητικά φορτισμένου ατόμου. Το υδρογόνο σε έναν δεσμό εξακολουθεί να έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο, ενώ χρειάζεται δύο ηλεκτρόνια για ένα σταθερό ζεύγος ηλεκτρονίων. Το αποτέλεσμα είναι ότι το άτομο υδρογόνου φέρει ένα ασθενές θετικό φορτίο, οπότε παραμένει ελκυσμένο σε άτομα που εξακολουθούν να φέρουν αρνητικό φορτίο. Για το λόγο αυτό, ο δεσμός υδρογόνου δεν εμφανίζεται σε μόρια με μη πολικούς ομοιοπολικούς δεσμούς. Οποιαδήποτε ένωση με πολικούς ομοιοπολικούς δεσμούς έχει τη δυνατότητα να σχηματίζει δεσμούς υδρογόνου.

Οι δεσμοί υδρογόνου μπορούν να σχηματιστούν μέσα σε ένα μόριο ή μεταξύ ατόμων σε διαφορετικά μόρια. Αν και ένα οργανικό μόριο δεν απαιτείται για τη δέσμευση με υδρογόνο, το φαινόμενο είναι εξαιρετικά σημαντικό στα βιολογικά συστήματα. Παραδείγματα δεσμού υδρογόνου περιλαμβάνουν:

• μεταξύ δύο μορίων νερού
• κρατώντας δύο σκέλη του DNA μαζί για να σχηματίσουν μια διπλή έλικα
• ενισχυτικά πολυμερή (π.χ. επαναλαμβανόμενη μονάδα που βοηθά στην κρυστάλλωση νάυλον)
• σχηματίζοντας δευτερεύουσες δομές σε πρωτεΐνες, όπως άλφα έλικα και βήτα πτυχωτό φύλλο
• μεταξύ των ινών στο ύφασμα, που μπορεί να οδηγήσει σε σχηματισμό ρυτίδων
• μεταξύ ενός αντιγόνου και ενός αντισώματος
• μεταξύ ενός ενζύμου και ενός υποστρώματος
• δέσμευση των παραγόντων μεταγραφής στο ϋΝΑ

Οι δεσμοί υδρογόνου αντιπροσωπεύουν ορισμένες σημαντικές ιδιότητες νερού. Ακόμα κι αν ένας δεσμός υδρογόνου είναι μόνο 5% τόσο ισχυρός όσο ένας ομοιοπολικός δεσμός, αρκεί να σταθεροποιηθούν τα μόρια του νερού.

• Η σύνδεση με υδρογόνο προκαλεί το νερό να παραμείνει υγρό σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών.
• Επειδή χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να σπάσει τους δεσμούς υδρογόνου, το νερό έχει μια ασυνήθιστα υψηλή θερμότητα εξάτμισης. Το νερό έχει πολύ υψηλότερο σημείο βρασμού από άλλα υδρίδια.

Υπάρχουν πολλές σημαντικές συνέπειες των επιπτώσεων της δέσμευσης υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού:

• Ο δεσμός υδρογόνου καθιστά τον πάγο λιγότερο πυκνό από το υγρό νερό, έτσι ο πάγος επιπλέει στο νερό.
• Η επίδραση της δέσμευσης υδρογόνου στο θερμότητα εξάτμισης βοηθάει να γίνει ο εφίδρωση αποτελεσματικός τρόπος μείωσης της θερμοκρασίας για τα ζώα.
• Η επίδραση στην θερμική χωρητικότητα σημαίνει ότι το νερό προστατεύει από ακραίες μετατοπίσεις θερμοκρασίας κοντά σε μεγάλα σώματα νερού ή υγρού περιβάλλοντος. Το νερό βοηθά στη ρύθμιση της θερμοκρασίας σε παγκόσμια κλίμακα.

Ο δεσμός υδρογόνου είναι πιο σημαντικός μεταξύ του υδρογόνου και των ιδιαίτερα ηλεκτροαρνητικών ατόμων. Το μήκος του χημικού δεσμού εξαρτάται από την αντοχή, την πίεση και τη θερμοκρασία του. Η γωνία δεσμού εξαρτάται από τα συγκεκριμένα χημικά είδη που εμπλέκονται στον δεσμό. Η ισχύς των δεσμών υδρογόνου κυμαίνεται από πολύ ασθενές (1-2 kJ mol-1) έως πολύ ισχυρό (161.5 kJ mol-1). Μερικά παραδείγματα ενθαλπίες σε ατμούς είναι:

F-H...: F (161,5 kJ / mol ή 38,6 kcal / mol)
Ο-Η...: Ν (29 kJ / mol ή 6,9 kcal / mol)
Ο-Η...: Ο (21 kJ / mol ή 5,0 kcal / mol)
Ν-Η...: Ν (13 kJ / mol ή 3,1 kcal / mol)
Ν-Η...: Ο (8 kJ / mol ή 1,9 kcal / mol)
HO-H...: OH₃⁺ (18 kJ / mol ή 4,3 kcal / mol)

_{βιβλιογραφικές αναφορές}

_{Larson, J. W.; McMahon, Τ. ΣΙ. (1984). "Ιόντα βιοαλογονιδίου αέριας φάσης και ιόντα ψευδοβιοαλιδίου. Ένας προσδιορισμός συντονισμού ιόντων κυκλοτρόνου των ενεργειών δεσμού υδρογόνου σε είδη XHY- (Χ, Υ = F, CI, Br, CN) ". Ανόργανη Χημεία 23 (14): 2029-2033.}

_{Emsley, J. (1980). "Πολύ ισχυρά ομόλογα υδρογόνου". Chemical Society Reviews 9 (1): 91-124.
Omer Markovitch και Noam Agmon (2007). "Δομή και ενεργητικότητα των κελυφών ενυδάτωσης υδρογόνου". J. Phys. Chem. Α 111 (12): 2253-2256.}