Il legame a idrogeno è un argomento importante in chimica e sostiene il comportamento di molte delle sostanze con cui interagiamo quotidianamente, in particolare l'acqua. Comprendere il legame idrogeno e perché esiste è un passo importante nella comprensione del legame intermolecolare e della chimica più in generale. Il legame idrogeno è in definitiva causato dalla differenza di carica elettrica netta in alcune parti di molecole specifiche. Queste sezioni cariche attraggono altre molecole con le stesse proprietà.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Il legame a idrogeno è causato dalla tendenza di alcuni atomi nelle molecole ad attirare gli elettroni più del loro atomo che li accompagna. Questo conferisce alla molecola un momento di dipolo permanente - la rende polare - quindi agisce come un magnete e attrae l'estremità opposta di altre molecole polari.
Elettronegatività e momenti di dipolo permanente
La proprietà dell'elettronegatività alla fine provoca il legame idrogeno. Quando gli atomi sono legati tra loro in modo covalente, condividono gli elettroni. In un perfetto esempio di legame covalente, gli elettroni sono condivisi equamente, quindi gli elettroni condivisi sono circa a metà strada tra un atomo e l'altro. Tuttavia, questo è solo il caso quando gli atomi sono ugualmente efficaci nell'attrarre gli elettroni. La capacità degli atomi di attrarre gli elettroni di legame è nota come elettronegatività, quindi se gli elettroni sono condivisi tra gli atomi con la stessa elettronegatività, allora gli elettroni sono in media all'incirca a metà strada tra loro (perché gli elettroni si muovono continuamente).
Se un atomo è più elettronegativo dell'altro, gli elettroni condivisi sono più attratti da quell'atomo. Tuttavia, gli elettroni sono carichi, quindi se sono più inclini a radunarsi attorno a un atomo rispetto all'altro, ciò influisce sull'equilibrio di carica della molecola. Invece di essere elettricamente neutro, l'atomo più elettronegativo guadagna una leggera carica netta negativa. Al contrario, l'atomo meno elettronegativo finisce con una leggera carica positiva. Questa differenza di carica produce una molecola con quello che viene chiamato un momento di dipolo permanente, e queste sono spesso chiamate molecole polari.
Come funzionano i legami idrogeno
Le molecole polari hanno due sezioni cariche all'interno della loro struttura. Allo stesso modo in cui l'estremità positiva di un magnete attrae l'estremità negativa di un altro magnete, le estremità opposte di due molecole polari possono attrarsi a vicenda. Questo fenomeno è chiamato legame idrogeno perché l'idrogeno è meno elettronegativo delle molecole con cui spesso si lega come ossigeno, azoto o fluoro. Quando l'estremità idrogeno della molecola con una carica netta positiva si avvicina all'ossigeno, all'azoto, al fluoro o ad un'altra estremità elettronegativa, il risultato è una molecola-molecola legame (un legame intermolecolare), che è diverso dalla maggior parte delle altre forme di legame che si incontrano in chimica, ed è responsabile di alcune delle proprietà uniche di diversi sostanze.
I legami idrogeno sono circa 10 volte meno forti dei legami covalenti che tengono insieme le singole molecole. I legami covalenti sono difficili da rompere perché richiede molta energia, ma i legami idrogeno sono abbastanza deboli da essere rotti in modo relativamente facile. In un liquido, ci sono molte molecole che si spingono intorno e questo processo porta alla rottura e alla riformazione dei legami idrogeno quando l'energia è sufficiente. Allo stesso modo, il riscaldamento della sostanza rompe alcuni legami idrogeno per lo stesso motivo.
Legame idrogeno nell'acqua
Acqua (H2O) è un buon esempio di legame idrogeno in azione. La molecola di ossigeno è più elettronegativa dell'idrogeno ed entrambi gli atomi di idrogeno si trovano sullo stesso lato della molecola in una formazione a "v". Ciò conferisce al lato della molecola d'acqua con gli atomi di idrogeno una carica netta positiva e al lato dell'ossigeno una carica netta negativa. Gli atomi di idrogeno di una molecola d'acqua, quindi, si legano al lato ossigeno di altre molecole d'acqua.
Ci sono due atomi di idrogeno disponibili per il legame idrogeno nell'acqua e ogni atomo di ossigeno può "accettare" legami idrogeno da altre due fonti. Ciò mantiene forte il legame intermolecolare e spiega perché l'acqua ha un punto di ebollizione più alto dell'ammoniaca (dove l'azoto può accettare solo un legame idrogeno). Il legame a idrogeno spiega anche perché il ghiaccio occupa più volume della stessa massa d'acqua: i legami a idrogeno si fissano e danno all'acqua una struttura più regolare rispetto a quando è liquida.