Polārās molekulas, kurās ietilpst ūdeņraža atoms, var veidot elektrostatiskās saites, kuras sauc par ūdeņraža saitēm. Ūdeņraža atoms ir unikāls ar to, ka to veido viens elektrons ap vienu protonu. Kad elektrons tiek piesaistīts pārējiem molekulas atomiem, eksponētā protona pozitīvā lādiņa rezultātā notiek molekulārā polarizācija.
Šis mehānisms ļauj šādām molekulām veidot spēcīgas ūdeņraža saites virs un virs kovalentajām un jonu saitēm, kas ir vairuma savienojumu pamatā. Ūdeņraža saites var piešķirt savienojumiem īpašas īpašības un padarīt materiālus stabilākus nekā savienojumi, kas nespēj veidot ūdeņraža saites.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Polārajām molekulām, kuru kovalentajā saitē ietilpst ūdeņraža atoms, vienā molekulas galā ir negatīvs lādiņš, bet pretējā - pozitīvs lādiņš. Atsevišķais elektrons no ūdeņraža atoma migrē uz citu kovalenti saistītu atomu, atstājot pozitīvi uzlādētu ūdeņraža protonu. Protonu piesaista citu molekulu negatīvi lādētais gals, veidojot elektrostatisko saiti ar vienu no citiem elektroniem. Šo elektrostatisko saiti sauc par ūdeņraža saiti.
Kā veidojas polārās molekulas
Kovalentās saitēs atomi dala elektronus, veidojot stabilu savienojumu. Nepolārās kovalentās saitēs elektroni tiek sadalīti vienādi. Piemēram, nepolārā peptīdu saitē elektroni ir vienādi sadalīti starp oglekļa-skābekļa karbonilgrupas oglekļa atomu un slāpekļa-ūdeņraža amīda grupas slāpekļa atomu.
Polārajām molekulām kovalentajā saitē dalītie elektroni mēdz pulcēties vienā molekulas pusē, bet otra puse kļūst pozitīvi uzlādēta. Elektroni migrē, jo vienam no atomiem ir lielāka afinitāte pret elektroniem nekā pārējiem kovalentās saites atomiem. Piemēram, lai gan pati peptīdu saite nav polāra, saistītā proteīna struktūra ir saistīta ūdeņraža saitēm starp karbonilgrupas skābekļa atomu un amīda ūdeņraža atomu grupa.
Tipiskas kovalento saišu konfigurācijas savieno pārus atomus, kuru ārējā apvalkā ir vairāki elektroni, ar tiem, kuru ārējā apvalka pabeigšanai nepieciešams tikpat daudz elektronu. Atomi dala papildu elektronus no bijušā atoma, un katram atomam kādu laiku ir pilnīgs ārējais elektronu apvalks.
Bieži vien atoms, kuram nepieciešami papildu elektroni, lai pabeigtu ārējo apvalku, piesaista elektronus spēcīgāk nekā atomi, kas nodrošina papildu elektronus. Šajā gadījumā elektroni netiek sadalīti vienmērīgi, un viņi vairāk laika pavada ar saņemošo atomu. Rezultātā uztverošajam atomam parasti ir negatīvs lādiņš, kamēr donora atomam ir pozitīvs lādiņš. Šādas molekulas ir polarizētas.
Kā veidojas ūdeņraža saites
Molekulas, kurās ietilpst kovalenti saistīts ūdeņraža atoms, bieži tiek polarizētas, jo atsevišķais ūdeņraža atoma elektrons tiek turēts salīdzinoši brīvi. Tas viegli migrē uz otru kovalentās saites atomu, atstājot vienu pozitīvi uzlādētu ūdeņraža atoma protonu vienā pusē.
Kad ūdeņraža atoms zaudē savu elektronu, tas var veidot spēcīgu elektrostatisko saiti, jo atšķirībā no citiem atomiem tajā vairs nav elektronu, kas pasargā pozitīvo lādiņu. Protonu piesaista citu molekulu elektroni, un iegūto saiti sauc par ūdeņraža saiti.
Ūdeņraža saites ūdenī
Ūdens molekulas ar ķīmisko formulu H2O ir polarizēti un veido spēcīgas ūdeņraža saites. Viens skābekļa atoms veido kovalentās saites ar abiem ūdeņraža atomiem, bet elektronus nedala vienādi. Abi ūdeņraža elektroni lielāko daļu laika pavada ar skābekļa atomu, kas kļūst negatīvi uzlādēts. Abi ūdeņraža atomi kļūst par pozitīvi lādētiem protoniem un veido ūdeņraža saites ar elektroniem no citu ūdens molekulu skābekļa atomiem.
Tā kā ūdens veido šīs papildu saites starp molekulām, tam ir vairākas neparastas īpašības. Ūdenim ir ārkārtīgi spēcīgs virsmas spraigums, tam ir neparasti augsta viršanas temperatūra, un tam ir vajadzīgs daudz enerģijas, lai no šķidra ūdens pārvērstos tvaikā. Šādas īpašības ir raksturīgas materiāliem, kuriem polarizētās molekulas veido ūdeņraža saites.