Οι περισσότεροι άνθρωποι αισθάνονται άνετα με την ιδέα των ιοντικών και ομοιοπολικών δεσμών, αλλά δεν είναι σίγουροι για τους δεσμούς υδρογόνου, για τον τρόπο με τον οποίο διαμορφώνονται και γιατί είναι σημαντικοί.
Λέξεις κλειδιά: Ομόλογα υδρογόνου
- Ένας δεσμός υδρογόνου είναι μια έλξη μεταξύ δύο ατόμων που ήδη συμμετέχουν σε άλλους χημικούς δεσμούς. Ένα από τα άτομα είναι υδρογόνο, ενώ το άλλο μπορεί να είναι οποιοδήποτε ηλεκτροαρνητικό άτομο, όπως οξυγόνο, χλώριο ή φθόριο.
- Οι δεσμοί υδρογόνου μπορεί να σχηματίζονται μεταξύ ατόμων εντός ενός μορίου ή μεταξύ δύο χωριστών μορίων.
- Ένας δεσμός υδρογόνου είναι ασθενέστερος από έναν ιοντικό δεσμό ή ομοιοπολικό δεσμό, αλλά ισχυρότερος από τις δυνάμεις van der Waals.
- Οι δεσμοί υδρογόνου διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη βιοχημεία και παράγουν πολλές από τις μοναδικές ιδιότητες του νερού.
Ορισμός δεσμών υδρογόνου
Ένας δεσμός υδρογόνου είναι ένας τύπος ελκυστικής αλληλεπίδρασης (δίπολο-δίπολο) μεταξύ ενός ηλεκτροαρνητικού άτομο και ένα υδρογόνο άτομο
συνδεδεμένο σε άλλο ηλεκτροαρνητικό άτομο. Αυτός ο δεσμός περιλαμβάνει πάντα ένα άτομο υδρογόνου. Δεσμοί υδρογόνου μπορεί να συμβεί μεταξύ μόρια ή εντός τμημάτων ενός μορίου.Ένας δεσμός υδρογόνου τείνει να είναι ισχυρότερος από van der Waals, αλλά ασθενέστερη από ομοιοπολικούς δεσμούς ή ιοντικούς δεσμούς. Είναι περίπου το 1 / 20ο (5%) η ισχύς του ομοιοπολικού δεσμού που σχηματίζεται μεταξύ Ο-Η. Ωστόσο, ακόμη και αυτός ο ασθενής δεσμός είναι αρκετά ισχυρός ώστε να αντέχει σε ελαφρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας.
Αλλά τα άτομα έχουν ήδη δεσμευτεί
Πώς μπορεί να έλθει το υδρογόνο σε άλλο άτομο όταν είναι ήδη συνδεδεμένο; Σε ένα πολικό δεσμό, η μία πλευρά του δεσμού εξακολουθεί να ασκεί ένα ελαφρώς θετικό φορτίο, ενώ η άλλη πλευρά έχει ένα ελαφρώς αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Η δημιουργία ενός δεσμού δεν εξουδετερώνει την ηλεκτρική φύση των συμμετεχόντων ατόμων.
Παραδείγματα δεσμών υδρογόνου
Οι δεσμοί υδρογόνου βρίσκονται σε νουκλεϊνικά οξέα μεταξύ ζευγών βάσεων και μεταξύ μορίων νερού. Αυτός ο τύπος δεσμού σχηματίζεται επίσης μεταξύ υδρογόνου και ατόμων άνθρακα διαφορετικών μορίων χλωροφορμίου, μεταξύ υδρογόνου και αζώτου τα άτομα των γειτονικών μορίων αμμωνίας, μεταξύ επαναλαμβανόμενων υπομονάδων στο πολυμερές νάιλον και μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου στο ακετυλακετόνη. Πολλά οργανικά μόρια υπόκεινται σε δεσμούς υδρογόνου. Δεσμός υδρογόνου:
- Βοηθήστε να δεσμεύσετε τους παράγοντες μεταγραφής στο DNA
- Ενίσχυση δέσμευσης αντιγόνου-αντισώματος
- Οργανώστε τα πολυπεπτίδια σε δευτερεύουσες δομές, όπως άλφα έλικα και βήτα φύλλα
- Κρατήστε μαζί τα δύο σκέλη του DNA
- Συνδέστε τους παράγοντες μεταγραφής μεταξύ τους
Σύνδεση υδρογόνου στο νερό
Αν και οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ υδρογόνου και οποιουδήποτε άλλου ηλεκτροαρνητικού ατόμου, οι δεσμοί εντός του νερού είναι οι πιο πανταχού παρόντες (και κάποιοι θα υποστήριζαν, το πιο σημαντικό). Οι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ γειτονικών μορίων ύδατος όταν το υδρογόνο ενός ατόμου έρχεται μεταξύ των ατόμων οξυγόνου του μορίου του και του γειτονικού του. Αυτό συμβαίνει επειδή το άτομο υδρογόνου έλκεται τόσο από το δικό του οξυγόνο όσο και από άλλα άτομα οξυγόνου που έρχονται αρκετά κοντά. Ο πυρήνας του οξυγόνου έχει 8 "συν" φορτία, έτσι ώστε να προσελκύει ηλεκτρόνια καλύτερα από τον πυρήνα υδρογόνου, με το μόνο θετικό του φορτίο. Έτσι, τα μόρια του γειτονικού οξυγόνου είναι ικανά να προσελκύουν άτομα υδρογόνου από άλλα μόρια, σχηματίζοντας τη βάση του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου.
Ο συνολικός αριθμός δεσμών υδρογόνου που σχηματίζονται μεταξύ των μορίων νερού είναι 4. Κάθε μόριο νερού μπορεί να σχηματίσει 2 δεσμούς υδρογόνου μεταξύ του οξυγόνου και των δύο ατόμων υδρογόνου στο μόριο. Μπορούν να σχηματιστούν επιπλέον δύο δεσμοί μεταξύ κάθε ατόμου υδρογόνου και κοντινών ατόμων οξυγόνου.
Μια συνέπεια της δέσμευσης υδρογόνου είναι ότι οι δεσμοί υδρογόνου τείνουν να τοποθετούνται σε ένα τετράεδρο γύρω από κάθε μόριο νερού, οδηγώντας στην γνωστή κρυσταλλική δομή των νιφάδων χιονιού. Στο υγρό νερό, η απόσταση μεταξύ παρακείμενων μορίων είναι μεγαλύτερη και η ενέργεια των μορίων είναι αρκετά υψηλή ώστε οι δεσμοί υδρογόνου συχνά τεντώνονται και σπάζουν. Ωστόσο, ακόμη και τα υγρά μόρια υγρού μέσου όρου σε μια τετραεδρική διάταξη. Λόγω της δέσμευσης του υδρογόνου, η δομή του υγρού νερού γίνεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία, πολύ μεγαλύτερη από αυτή άλλων υγρών. Η δέσμευση υδρογόνου κρατά μόρια νερού περίπου 15% πιο κοντά από ό, τι αν δεν υπήρχαν οι δεσμοί. Οι δεσμοί είναι ο πρωταρχικός λόγος που το νερό παρουσιάζει ενδιαφέρουσες και ασυνήθιστες χημικές ιδιότητες.
- Η δέσμευση υδρογόνου μειώνει τις ακραίες μετατοπίσεις θερμοκρασίας κοντά σε μεγάλα σώματα νερού.
- Η συγκόλληση με υδρογόνο επιτρέπει στα ζώα να κρυώσουν χρησιμοποιώντας την εφίδρωση επειδή χρειάζεται μεγάλη ποσότητα θερμότητας για να σπάσουν τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού.
- Ο δεσμός υδρογόνου διατηρεί το νερό στην υγρή του κατάσταση σε ευρύτερο εύρος θερμοκρασιών από ό, τι για οποιοδήποτε άλλο μόριο συγκρίσιμου μεγέθους.
- Η συγκόλληση δίνει στο νερό μια εξαιρετικά υψηλή θερμότητα εξατμίσεως, πράγμα που σημαίνει ότι απαιτείται σημαντική θερμική ενέργεια για την αλλαγή του υγρού ύδατος σε υδρατμούς.
Οι δεσμοί υδρογόνου μέσα βαρύ νερό είναι ακόμη ισχυρότερες από εκείνες που περιέχονται στο συνηθισμένο νερό που παράγεται με φυσιολογικό υδρογόνο (protium). Η δέσμευση υδρογόνου στο τριτιωμένο νερό είναι ακόμα πιο δυνατή.