Hydrogenbinding er et vigtigt emne inden for kemi, og det understøtter adfærden for mange af de stoffer, vi interagerer med dagligt, især vand. At forstå brintbinding og hvorfor det eksisterer er et vigtigt skridt i forståelsen af intermolekylærbinding og kemi mere generelt. Hydrogenbinding skyldes i sidste ende forskellen i nettoladning i nogle dele af specifikke molekyler. Disse ladede sektioner tiltrækker andre molekyler med de samme egenskaber.
TL; DR (for lang; Har ikke læst)
Hydrogenbinding er forårsaget af tendensen hos nogle atomer i molekyler til at tiltrække elektroner mere end deres ledsagende atom. Dette giver molekylet et permanent dipolmoment - det gør det polært - så det fungerer som en magnet og tiltrækker den modsatte ende af andre polære molekyler.
Elektronegativitet og permanente dipolmomenter
Elektronegativitetens egenskab forårsager i sidste ende brintbinding. Når atomer er bundet kovalent til hinanden, deler de elektroner. I et perfekt eksempel på kovalent binding deles elektronerne ens, så de delte elektroner er ca. halvvejs mellem det ene atom og det andet. Dette er dog kun tilfældet, når atomerne er lige så effektive til at tiltrække elektroner. Atommers evne til at tiltrække bindingselektronerne er kendt som elektronegativitet, så hvis elektroner deles mellem atomer med den samme elektronegativitet, så er elektronerne i gennemsnit omtrent halvvejs mellem dem (fordi elektroner bevæger sig kontinuerligt).
Hvis det ene atom er mere elektronegativt end det andet, trækkes de delte elektroner tættere på det atom. Elektroner oplades imidlertid, så hvis de er mere tilbøjelige til at samle sig omkring det ene atom end det andet, påvirker dette molekylets ladningsbalance. I stedet for at være elektrisk neutralt får det mere elektronegative atom en lille nettonegativ ladning. Omvendt ender det mindre elektronegative atom med en let positiv ladning. Denne ladningsforskel producerer et molekyle med det, der kaldes et permanent dipolmoment, og disse kaldes ofte polære molekyler.
Hvordan brintobligationer fungerer
Polære molekyler har to ladede sektioner inden for deres struktur. På samme måde som den positive ende af en magnet tiltrækker den negative ende af en anden magnet, kan de modsatte ender af to polære molekyler tiltrække hinanden. Dette fænomen kaldes brintbinding, fordi brint er mindre elektronegativ end molekyler, som det ofte binder til som ilt, nitrogen eller fluor. Når brintenden af molekylet med en nettopositiv ladning kommer tæt på ilt, nitrogen, fluor eller en anden elektronegativ ende, er resultatet et molekyle-molekyle binding (en intermolekylær binding), som er ulig de fleste andre former for binding, du støder på i kemi, og den er ansvarlig for nogle af de unikke egenskaber ved forskellige stoffer.
Brintbindinger er ca. 10 gange mindre stærke end de kovalente bindinger, der holder de enkelte molekyler sammen. Kovalente bindinger er svære at bryde, fordi det kræver meget energi, men brintbindinger er svage nok til at blive brudt relativt let. I en væske er der masser af molekyler, der skubber rundt, og denne proces fører til, at hydrogenbindinger brydes og reformeres, når energien er tilstrækkelig. Tilsvarende bryder opvarmning af stoffet nogle hydrogenbindinger af samme årsag.
Hydrogenbinding i vand
Vand (H2O) er et godt eksempel på hydrogenbinding i aktion. Oxygenmolekylet er mere elektronegativt end brint, og begge hydrogenatomer er på samme side af molekylet i en "v" -dannelse. Dette giver siden af vandmolekylet med hydrogenatomerne en netto positiv ladning og ilt siden en netto negativ ladning. Brintatomerne i et vandmolekyle binder derfor til iltsiden af andre vandmolekyler.
Der er to hydrogenatomer tilgængelige til hydrogenbinding i vand, og hvert iltatom kan "acceptere" hydrogenbindinger fra to andre kilder. Dette holder den intermolekylære binding stærk og forklarer, hvorfor vand har et højere kogepunkt end ammoniak (hvor nitrogen kun kan acceptere en hydrogenbinding). Brintbinding forklarer også, hvorfor is optager mere volumen end den samme vandmasse: Brintbindingerne fastgøres på plads og giver vandet en mere regelmæssig struktur, end når det er en væske.