מה גורם להצמדה של מימן?

קשירת מימן היא נושא חשוב בכימיה, והיא עומדת בבסיס התנהגותם של רבים מהחומרים שאנו מתקשרים איתם ביום יום, במיוחד מים. הבנת קשירת מימן ומדוע היא קיימת היא שלב חשוב בהבנת קשר בין-מולקולרי וכימיה באופן כללי יותר. קשירת מימן נגרמת בסופו של דבר על ידי ההבדל במטען החשמלי נטו בחלקים מסוימים של מולקולות ספציפיות. קטעים טעונים אלה מושכים מולקולות אחרות בעלות אותן תכונות.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

קשירת מימן נגרמת על ידי נטייתם של כמה אטומים במולקולות למשוך אלקטרונים יותר מהאטום הנלווה להם. זה נותן למולקולה רגע דיפול קבוע - זה הופך אותה לקוטבית - ולכן היא פועלת כמו מגנט ומושכת את הקצה הנגדי של מולקולות קוטביות אחרות.

המאפיין של האלקטרואנגטיביות גורם בסופו של דבר לקשר מימן. כאשר אטומים קשורים זה לזה בצורה קוולנטית, הם חולקים אלקטרונים. בדוגמה מושלמת לקשר קוולנטי, האלקטרונים מתחלקים באופן שווה, כך שהאלקטרונים המשותפים נמצאים בערך באמצע הדרך בין אטום אחד למשנהו. עם זאת, זה המקרה רק כאשר האטומים יעילים באותה מידה למשיכת אלקטרונים. היכולת של אטומים למשוך את האלקטרונים המקשרים מכונה electronegativity, כך שאם האלקטרונים משותפים בין האטומים. באותה אלקטרונטיביות, אז האלקטרונים נמצאים בערך באמצע הדרך ביניהם (מכיוון שאלקטרונים נעים ברציפות).

אם אטום אחד יותר אלקטרוני שלילי מהשני, האלקטרונים המשותפים נמשכים יותר לאטום זה. עם זאת, אלקטרונים נטענים, כך שאם הם נוטים יותר להתכנס סביב אטום אחד מאשר לשני, הדבר משפיע על מאזן המטען של המולקולה. במקום להיות ניטרלי מבחינה חשמלית, האטום האלקטרוני שלילי יותר זוכה למטען שלילי נטו קל. לעומת זאת, האטום הפחות אלקטרוני שלילי מסתיים במטען חיובי קל. הבדל זה במטען מייצר מולקולה עם מה שמכונה רגע דיפול קבוע, ואלה נקראים לעתים קרובות מולקולות קוטביות.

מולקולות קוטביות כוללות שני קטעים טעונים במבנה שלהם. באותו אופן שבו הקצה החיובי של מגנט מושך את הקצה השלילי של מגנט אחר, הקצוות הנגדי של שתי מולקולות קוטביות יכולים למשוך זה את זה. תופעה זו נקראת קשירת מימן מכיוון שהמימן פחות אלקטרוני שלילי ממולקולות שהוא נקשר לעיתים קרובות עם כגון חמצן, חנקן או פלואור. כאשר קצה המימן של המולקולה עם מטען חיובי נטו מתקרב לחמצן, חנקן, פלואור או קצה אלקטרוני אחר, התוצאה היא מולקולה-מולקולה. קשר (קשר בין-מולקולרי), שאינו דומה לרוב צורות הקשר האחרות שאתה נתקל בהם בכימיה, והוא אחראי על כמה מהתכונות הייחודיות של שונה חומרים.

קשרי מימן חזקים פי 10 מהקשרים הקוולנטיים המחזיקים את המולקולות האישיות. קשרים קוולנטיים קשה להישבר מכיוון שכדי לעשות זאת נדרש אנרגיה רבה, אך קשרי מימן חלשים מספיק כדי להישבר בקלות יחסית. בנוזל, יש הרבה מולקולות שמסתובבות סביבם, ותהליך זה מוביל לקשרי מימן להישבר ולהשתנה כאשר האנרגיה מספיקה. באופן דומה, חימום החומר שובר כמה קשרי מימן מאותה סיבה למעשה.

מים (H₂O) הוא דוגמה טובה לקשר מימן בפעולה. מולקולת החמצן אלקטרונית יותר מאשר מימן, ושני אטומי המימן נמצאים באותו צד של המולקולה בתצורת "v". זה נותן לדופן מולקולת המים עם אטומי המימן מטען חיובי נטו ולצד החמצן מטען שלילי נטו. אטומי המימן של מולקולת מים אחת נקשרים אפוא לצד החמצן של מולקולות מים אחרות.

ישנם שני אטומי מימן הזמינים לקשירת מימן במים, וכל אטום חמצן יכול "לקבל" קשרי מימן משני מקורות אחרים. זה שומר על החיבור בין-מולקולרי חזק ומסביר מדוע למים יש נקודת רתיחה גבוהה יותר מאמוניה (שם החנקן יכול לקבל רק קשר מימן אחד). קשירת מימן מסבירה גם מדוע קרח תופס יותר נפח מאותה מסת מים: קשרי המימן מתקבעים במקומם ומעניקים למים מבנה קבוע יותר מאשר כאשר הם נוזלים.