מולקולות קוטביות הכוללות אטום מימן יכולות ליצור קשרים אלקטרוסטטיים הנקראים קשרי מימן. אטום המימן ייחודי בכך שהוא מורכב מאלקטרון יחיד סביב פרוטון יחיד. כאשר האלקטרון נמשך לאטומים האחרים במולקולה, המטען החיובי של הפרוטון החשוף מביא לקיטוב מולקולרי.
מנגנון זה מאפשר למולקולות כאלה ליצור קשרי מימן חזקים מעל לקשרים קוולנטיים ויוניים המהווים בסיס לרוב התרכובות. קשרי מימן יכולים להעניק לתרכובות תכונות מיוחדות ויכולים להפוך חומרים ליציבים יותר מאשר תרכובות שאינן יכולות ליצור קשרי מימן.
TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)
למולקולות קוטביות הכוללות אטום מימן בקשר קוולנטי יש מטען שלילי בקצה אחד של המולקולה ומטען חיובי בקצה הנגדי. האלקטרון היחיד מאטום המימן נודד לאטום השני הקשור קוולנטי ומותיר את פרוטון המימן הטעון באופן חיובי. הפרוטון נמשך לקצה המטען השלילי של מולקולות אחרות, ויוצר קשר אלקטרוסטטי עם אחד האלקטרונים האחרים. קשר אלקטרוסטטי זה נקרא קשר מימן.
כיצד נוצרות מולקולות קוטביות
בקשרים קוולנטיים, אטומים חולקים אלקטרונים ליצירת תרכובת יציבה. בקשרים קוולנטיים לא קוטביים, האלקטרונים מתחלקים באופן שווה. לדוגמא, בקשר פפטיד לא קוטבי, האלקטרונים מתחלקים שווה בשווה בין אטום הפחמן של קבוצת הפחמן-חמצן לבין אטום החנקן של קבוצת החנקן-מימן.
עבור מולקולות קוטביות, האלקטרונים המשותפים בקשר קוולנטי נוטים להתאסף בצד אחד של המולקולה בעוד שהצד השני הופך לטעון באופן חיובי. האלקטרונים נודדים מכיוון שלאחד האטומים יש זיקה גדולה יותר לאלקטרונים מאשר לאטומים האחרים בקשר קוולנטי. לדוגמא, בעוד שקשר הפפטיד עצמו אינו קוטבי, מבנה החלבון הקשור נובע לקשרי מימן בין אטום החמצן של קבוצת הקרבוניל לאטום המימן של האמיד קְבוּצָה.
תצורות קשר קוולנטיות אופייניות מזווגות אטומים שיש להם מעט אלקטרונים בקליפה החיצונית שלהם עם אלה הזקוקים לאותו מספר אלקטרונים כדי להשלים את הקליפה החיצונית שלהם. האטומים חולקים את האלקטרונים הנוספים מהאטום הקודם, ולכל אטום מעטפת אלקטרונים חיצונית מלאה בחלק מהזמן.
לעיתים קרובות האטום הזקוק לאלקטרונים נוספים כדי להשלים את מעטפתו החיצונית מושך את האלקטרונים בצורה חזקה יותר מאשר האטום המספק את האלקטרונים הנוספים. במקרה זה, האלקטרונים אינם משותפים באופן שווה, והם מבלים יותר זמן עם האטום המקבל. כתוצאה מכך, האטום המקבל נוטה להיות בעל מטען שלילי בעוד אטום התורם טעון באופן חיובי. מולקולות כאלה מקוטבות.
כיצד נוצרים אג"ח מימן
מולקולות הכוללות אטום מימן קשור קוולנטי מקוטבות לעיתים קרובות מכיוון שהאלקטרון היחיד של אטום המימן מוחזק באופן רופף יחסית. הוא נודד בקלות לאטום השני של הקשר הקוולנטי ומשאיר את הפרוטון היחיד בעל הטעינה החיובית של אטום המימן בצד אחד.
כאשר אטום המימן מאבד את האלקטרון שלו, הוא יכול ליצור קשר אלקטרוסטטי חזק מכיוון שבניגוד לאטומים אחרים אין לו יותר אלקטרונים המגנים על המטען החיובי. הפרוטון נמשך לאלקטרונים של המולקולות האחרות, והקשר שנוצר נקרא קשר מימן.
אג"ח מימן במים
מולקולות המים, בעלות הנוסחה הכימית H2O, מקוטבים ויוצרים קשרי מימן חזקים. אטום החמצן היחיד יוצר קשרים קוולנטיים עם שני אטומי המימן אך אינו חולק את האלקטרונים באופן שווה. שני אלקטרוני המימן מבלים את רוב זמנם עם אטום החמצן, אשר הופך להיות טעון שלילית. שני אטומי המימן הופכים לפרוטונים בעלי טעינה חיובית ויוצרים קשרי מימן עם האלקטרונים מאטומי החמצן של מולקולות מים אחרות.
מכיוון שמים יוצרים קשרים נוספים אלה בין המולקולות שלהם, יש להם כמה תכונות יוצאות דופן. מים הם בעלי מתח פנים חזק במיוחד, הם בעלי נקודת רתיחה גבוהה במיוחד ודורשים אנרגיה רבה כדי לעבור ממים נוזליים לאדים. תכונות כאלה אופייניות לחומרים שעבורם מולקולות מקוטבות יוצרות קשרי מימן.