Η σύνδεση του υδρογόνου είναι ένα σημαντικό θέμα στη χημεία και υποστηρίζει τη συμπεριφορά πολλών από τις ουσίες με τις οποίες αλληλεπιδρούμε καθημερινά, ειδικά το νερό. Η κατανόηση της σύνδεσης υδρογόνου και γιατί υπάρχει είναι ένα σημαντικό βήμα στην κατανόηση της διαμοριακής σύνδεσης και της χημείας γενικότερα. Η σύνδεση του υδρογόνου προκαλείται τελικά από τη διαφορά στο καθαρό ηλεκτρικό φορτίο σε ορισμένα μέρη συγκεκριμένων μορίων. Αυτά τα φορτισμένα τμήματα προσελκύουν άλλα μόρια με τις ίδιες ιδιότητες.
TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)
Η σύνδεση υδρογόνου προκαλείται από την τάση ορισμένων ατόμων στα μόρια να προσελκύουν ηλεκτρόνια περισσότερο από το συνοδευτικό τους άτομο. Αυτό δίνει στο μόριο μια μόνιμη διπολική ροπή - το καθιστά πολικό - έτσι ενεργεί σαν μαγνήτης και προσελκύει το αντίθετο άκρο άλλων πολικών μορίων.
Ηλεκτροπαραγωγικότητα και μόνιμες διπολικές στιγμές
Η ιδιότητα της ηλεκτροαρνητικότητας προκαλεί τελικά τη σύνδεση υδρογόνου. Όταν τα άτομα συνδέονται ομοιοπολικά μεταξύ τους, μοιράζονται ηλεκτρόνια. Σε ένα τέλειο παράδειγμα ομοιοπολικής σύνδεσης, τα ηλεκτρόνια μοιράζονται εξίσου, έτσι τα κοινόχρηστα ηλεκτρόνια βρίσκονται περίπου στη μέση μεταξύ του ενός ατόμου και του άλλου. Ωστόσο, αυτό συμβαίνει μόνο όταν τα άτομα είναι εξίσου αποτελεσματικά στην προσέλκυση ηλεκτρονίων. Η ικανότητα των ατόμων να προσελκύουν τα ηλεκτρόνια που συνδέονται είναι γνωστή ως ηλεκτροαραγωγικότητα, έτσι εάν τα ηλεκτρόνια μοιράζονται μεταξύ των ατόμων με την ίδια ηλεκτροπαραγωγικότητα, τότε τα ηλεκτρόνια είναι περίπου στα μισά μεταξύ τους κατά μέσο όρο (επειδή τα ηλεκτρόνια κινούνται συνεχώς).
Εάν ένα άτομο είναι πιο ηλεκτροαρνητικό από το άλλο, τα κοινόχρηστα ηλεκτρόνια έλκονται πιο κοντά σε αυτό το άτομο. Ωστόσο, τα ηλεκτρόνια φορτίζονται, οπότε εάν είναι πιο επιρρεπείς να συσσωρεύονται γύρω από το ένα άτομο από το άλλο, αυτό επηρεάζει την ισορροπία φόρτισης του μορίου. Αντί να είναι ηλεκτρικά ουδέτερο, το περισσότερο ηλεκτροαρνητικό άτομο αποκτά ένα ελαφρύ καθαρό αρνητικό φορτίο. Αντίθετα, το λιγότερο ηλεκτροαρνητικό άτομο καταλήγει με ένα ελαφρώς θετικό φορτίο. Αυτή η διαφορά φορτίου παράγει ένα μόριο με αυτό που ονομάζεται μόνιμη διπολική ροπή, και αυτά συχνά ονομάζονται πολικά μόρια.
Πώς λειτουργούν οι δεσμοί υδρογόνου
Τα πολικά μόρια έχουν δύο φορτισμένα τμήματα στη δομή τους. Με τον ίδιο τρόπο όπως το θετικό άκρο ενός μαγνήτη προσελκύει το αρνητικό άκρο ενός άλλου μαγνήτη, τα αντίθετα άκρα δύο πολικών μορίων μπορούν να προσελκύσουν το ένα το άλλο. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σύνδεση υδρογόνου επειδή το υδρογόνο είναι λιγότερο ηλεκτροαρνητικό από τα μόρια με τα οποία συνδέεται συχνά όπως οξυγόνο, άζωτο ή φθόριο. Όταν το άκρο υδρογόνου του μορίου με καθαρό θετικό φορτίο πλησιάζει το οξυγόνο, το άζωτο, το φθόριο ή άλλο ηλεκτροαρνητικό άκρο, το αποτέλεσμα είναι ένα μόριο-μόριο δεσμός (ένας διαμοριακός δεσμός), ο οποίος είναι σε αντίθεση με τις περισσότερες άλλες μορφές σύνδεσης που συναντάτε στη χημεία και είναι υπεύθυνος για μερικές από τις μοναδικές ιδιότητες διαφορετικών ουσίες.
Οι δεσμοί υδρογόνου είναι περίπου 10 φορές λιγότερο ισχυροί από τους ομοιοπολικούς δεσμούς που συγκρατούν τα μεμονωμένα μόρια. Οι ομοιοπολικοί δεσμοί είναι δύσκολο να σπάσουν επειδή απαιτούν πολλή ενέργεια, αλλά οι δεσμοί υδρογόνου είναι αρκετά αδύναμοι για να σπάσουν σχετικά εύκολα. Σε ένα υγρό, υπάρχουν πολλά μόρια που κινούνται γύρω, και αυτή η διαδικασία οδηγεί σε διάσπαση και αναμόρφωση των δεσμών υδρογόνου όταν η ενέργεια είναι επαρκής. Παρομοίως, η θέρμανση της ουσίας σπάζει μερικούς δεσμούς υδρογόνου για τον ίδιο λόγο.
Σύνδεση υδρογόνου στο νερό
Νερό (Η2Ο) είναι ένα καλό παράδειγμα σύνδεσης υδρογόνου σε δράση. Το μόριο οξυγόνου είναι περισσότερο ηλεκτροαρνητικό από το υδρογόνο και και τα δύο άτομα υδρογόνου βρίσκονται στην ίδια πλευρά του μορίου σε σχηματισμό «ν». Αυτό δίνει στην πλευρά του μορίου νερού με τα άτομα υδρογόνου καθαρό θετικό φορτίο και στην πλευρά οξυγόνου καθαρό αρνητικό φορτίο. Τα άτομα υδρογόνου ενός μορίου νερού, επομένως, συνδέονται με την πλευρά οξυγόνου άλλων μορίων νερού.
Υπάρχουν δύο άτομα υδρογόνου διαθέσιμα για σύνδεση υδρογόνου στο νερό και κάθε άτομο οξυγόνου μπορεί να «δέχεται» δεσμούς υδρογόνου από δύο άλλες πηγές. Αυτό διατηρεί ισχυρή τη διαμοριακή σύνδεση και εξηγεί γιατί το νερό έχει υψηλότερο σημείο βρασμού από την αμμωνία (όπου το άζωτο μπορεί να δεχτεί μόνο έναν δεσμό υδρογόνου). Η σύνδεση υδρογόνου εξηγεί επίσης γιατί ο πάγος καταλαμβάνει περισσότερο όγκο από την ίδια μάζα νερού: Οι δεσμοί υδρογόνου στερεώνονται στη θέση τους και δίνουν στο νερό μια πιο κανονική δομή από ό, τι όταν είναι υγρό.