Vety sitoutuminen on tärkeä aihe kemiassa, ja se tukee monien aineiden, joiden kanssa olemme vuorovaikutuksessa päivittäin, etenkin veden, käyttäytymistä. Vety sitoutumisen ymmärtäminen ja miksi se on olemassa, on tärkeä askel molekyylien välisen sitoutumisen ja kemian ymmärtämisessä yleisemmin. Vetisidos johtuu viime kädessä nettosähkövarauserosta tietyissä molekyylien osissa. Nämä varatut leikkeet houkuttelevat muita molekyylejä, joilla on samat ominaisuudet.
TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)
Vety sitoutuminen johtuu joidenkin molekyylien atomien taipumuksesta houkutella elektroneja enemmän kuin niiden mukana oleva atomi. Tämä antaa molekyylille pysyvän dipolimomentin - se tekee siitä polaarisen - joten se toimii kuin magneetti ja houkuttelee muiden polaaristen molekyylien vastakkaista päätä.
Elektronegatiivisuus ja pysyvät dipolihetket
Elektronegatiivisuuden ominaisuus aiheuttaa viime kädessä vetysidoksen. Kun atomit ovat sitoutuneet kovalenttisesti toisiinsa, ne jakavat elektroneja. Täydellisessä esimerkissä kovalenttisidonnasta elektronit jaetaan tasan, joten jaetut elektronit ovat noin puolivälissä yhden atomin ja toisen välillä. Näin on kuitenkin vain silloin, kun atomit houkuttelevat yhtä tehokkaasti elektroneja. Atomien kyky houkutella sitoutuvia elektroneja tunnetaan elektronegatiivisuutena, joten jos elektroneja jaetaan atomien kesken samalla elektronegatiivisuudella elektronit ovat keskimäärin suunnilleen puolivälissä niiden välillä (koska elektronit liikkuvat jatkuvasti).
Jos yksi atomi on elektronegatiivisempi kuin toinen, jaetut elektronit vetävät läheisemmin kyseiseen atomiin. Elektronit ovat kuitenkin varautuneita, joten jos ne ovat alttiimpia kokoontumaan yhden atomin ympärille kuin toinen, tämä vaikuttaa molekyylin varaustasapainoon. Sen sijaan, että elektronegatiivinen atomi olisi sähköisesti neutraali, se saavuttaa pienen negatiivisen negatiivisen varauksen. Päinvastoin, vähemmän elektronegatiivinen atomi pääsee pienellä positiivisella varauksella. Tämä varausero tuottaa molekyylin, jota kutsutaan pysyväksi dipolimomentiksi, ja näitä kutsutaan usein polaarisiksi molekyyleiksi.
Kuinka vetysidokset toimivat
Polaarimolekyylien rakenteessa on kaksi varautunutta osaa. Samalla tavalla kuin magneetin positiivinen pää houkuttelee toisen magneetin negatiivisen pään, kahden polaarisen molekyylin vastakkaiset päät voivat houkutella toisiaan. Tätä ilmiötä kutsutaan vetysidokseksi, koska vety on vähemmän elektronegatiivista kuin molekyylit, jotka se sitoutuu usein happeen, typpeyn tai fluoriin. Kun positiivisen nettovarauksen omaavan molekyylin vetypää tulee lähelle happea, typpeä, fluoria tai muuta elektronegatiivista päätä, tuloksena on molekyyli-molekyyli sidos (molekyylien välinen sidos), joka on toisin kuin useimmat muut kemiassa esiintyvät sidosmuodot, ja se on vastuussa erilaisten aineita.
Vetysidokset ovat noin 10 kertaa vähemmän vahvoja kuin kovalenttiset sidokset, jotka pitävät yksittäisiä molekyylejä yhdessä. Kovalenttisia sidoksia on vaikea hajottaa, koska se vaatii paljon energiaa, mutta vetysidokset ovat riittävän heikkoja hajoamaan suhteellisen helposti. Nesteessä on paljon molekyylejä, jotka hyökkäävät ympäriinsä, ja tämä prosessi johtaa vetysidosten rikkoutumiseen ja uudistumiseen, kun energia on riittävä. Samoin aineen lämmittäminen rikkoo vetysidoksia käytännössä samasta syystä.
Vetyliimaus vedessä
Vesi (H2O) on hyvä esimerkki vedyn sitoutumisesta toiminnassa. Happimolekyyli on elektronegatiivisempi kuin vety, ja molemmat vetyatomit ovat molekyylin samalla puolella "v" -muodostuksessa. Tämä antaa vesimolekyylin puolelle vetyatomien kanssa positiivisen nettovarauksen ja happipuolelle negatiivisen nettovarauksen. Siksi yhden vesimolekyylin vetyatomit sitoutuvat muiden vesimolekyylien happipuoleen.
Vedyn sitoutumiseen veteen on käytettävissä kaksi vetyatomia, ja kukin happiatomi voi "hyväksyä" vetysidokset kahdesta muusta lähteestä. Tämä pitää molekyylien välisen sidoksen vahvana ja selittää, miksi vedellä on korkeampi kiehumispiste kuin ammoniakilla (missä typpi voi hyväksyä vain yhden vetysidoksen). Vetisidos selittää myös, miksi jää vie enemmän tilaa kuin sama vesimassa: Vetysidokset kiinnittyvät paikoilleen ja antavat vedelle säännöllisemmän rakenteen kuin silloin, kun se on neste.