Vandenilio surišimas yra svarbi chemijos tema, ir tai yra pagrindas daugelio medžiagų, su kuriomis mes kasdien bendraujame, ypač vandens, elgesiui. Suprasti jungimąsi su vandeniliu ir kodėl jis egzistuoja, yra svarbus žingsnis suprantant tarpmolekulinį ryšį ir chemiją apskritai. Vandenilio surišimą lemia grynojo elektrinio krūvio skirtumas kai kuriose konkrečių molekulių dalyse. Šios įkrautos sekcijos pritraukia kitas molekules, turinčias tas pačias savybes.
TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)
Vandenilio ryšį lemia kai kurių molekulių atomų polinkis labiau pritraukti elektronus nei juos lydintį atomą. Tai suteikia molekulei nuolatinį dipolio momentą - jis daro ją poliarine, taigi ji veikia kaip magnetas ir pritraukia priešingą kitų polinių molekulių galą.
Elektronegatyvumas ir nuolatiniai dipolio momentai
Elektronegatyvumo savybė galiausiai sukelia vandenilio ryšį. Kai atomai sujungiami kovalentiškai, jie dalijasi elektronais. Puikiame kovalentinio sujungimo pavyzdyje elektronai dalijasi po lygiai, todėl bendri elektronai yra maždaug pusiaukelėje tarp vieno atomo ir kito. Tačiau tai yra tik tas atvejis, kai atomai vienodai efektyviai pritraukia elektronus. Atomų gebėjimas pritraukti jungiamuosius elektronus yra žinomas kaip elektronegatyvumas, taigi, jei elektronai pasidalija tarp atomų su tuo pačiu elektronegatyvumu, tada elektronai yra maždaug pusiaukelėje tarp jų (nes elektronai juda nuolat).
Jei vienas atomas yra labiau elektronegatyvus nei kitas, bendri elektronai yra labiau pritraukti prie to atomo. Tačiau elektronai yra įkrauti, taigi, jei jie labiau linkę burtis aplink vieną atomą nei kitą, tai turi įtakos molekulės krūvio pusiausvyrai. Užuot elektriškai neutralus, labiau elektronegatyvus atomas įgyja nedidelį grynąjį neigiamą krūvį. Ir atvirkščiai, mažiau elektronegatyvinis atomas baigiasi nežymiu teigiamu krūviu. Šis krūvio skirtumas sukuria molekulę, vadinamą nuolatiniu dipolio momentu, ir jos dažnai vadinamos polinėmis molekulėmis.
Kaip veikia vandenilio jungtys
Poliarinės molekulės savo struktūroje turi dvi įkrautas dalis. Lygiai taip pat, kaip teigiamas magneto galas pritraukia neigiamą kito magneto galą, priešingi dviejų polinių molekulių galai gali pritraukti vienas kitą. Šis reiškinys vadinamas vandenilio ryšiu, nes vandenilis yra mažiau elektronegatyvus nei molekulės, kurias jis dažnai jungia su tokiais kaip deguonis, azotas ar fluoras. Kai molekulės vandenilio galas, turintis teigiamą krūvį, artėja prie deguonies, azoto, fluoro ar kito elektronegatyvo, rezultatas yra molekulė-molekulė ryšys (tarpmolekulinis ryšys), kuris skiriasi nuo daugelio kitų rišimo formų, su kuriomis susiduriate chemijoje, ir yra atsakingas už kai kurias unikalias skirtingų medžiagų.
Vandenilio jungtys yra maždaug 10 kartų mažiau stiprios nei kovalentinės jungtys, laikančios atskiras molekules kartu. Kovalentinius ryšius sunku nutraukti, nes tam reikia daug energijos, tačiau vandenilio jungtys yra pakankamai silpnos, kad jas būtų galima palyginti lengvai suardyti. Skystyje aplink sukasi daugybė molekulių, o šis procesas veda prie vandenilio jungčių trūkimo ir pertvarkymo, kai energijos pakanka. Panašiai, kaitinant medžiagą, dėl tos pačios priežasties nutrūksta kai kurie vandenilio ryšiai.
Vandenilio klijavimas vandenyje
Vanduo (H2O) yra geras vandenilio jungimosi veikiant pavyzdys. Deguonies molekulė yra labiau elektronegatyvi nei vandenilis, o abu vandenilio atomai yra toje pačioje molekulės pusėje „v“ formavime. Tai suteikia vandens molekulės pusei, kurioje yra vandenilio atomai, grynasis teigiamas krūvis, o deguonies - neigiamas. Todėl vienos vandens molekulės vandenilio atomai jungiasi su kitų vandens molekulių deguonies puse.
Vandeniliui jungtis vandenyje yra du vandenilio atomai, ir kiekvienas deguonies atomas gali „priimti“ vandenilio ryšius iš dviejų kitų šaltinių. Tai palaiko tvirtą tarpmolekulinį ryšį ir paaiškina, kodėl vandens virimo temperatūra yra aukštesnė nei amoniako (kur azotas gali priimti tik vieną vandenilio jungtį). Vandenilio sujungimas taip pat paaiškina, kodėl ledas užima daugiau tūrio nei ta pati vandens masė: Vandenilio jungtys fiksuojasi savo vietoje ir suteikia vandeniui taisyklingesnę struktūrą nei tada, kai jis yra skystis.