Ūdeņraža savienošana ir svarīga tēma ķīmijā, un tā ir pamats daudzu vielu, ar kurām mēs ikdienā mijiedarbojamies, it īpaši ūdens uzvedībai. Izpratne par ūdeņraža saiti un kāpēc tā pastāv, ir svarīgs solis, lai vispārīgāk izprastu starpmolekulāro saiti un ķīmiju. Ūdeņraža savienojumu galu galā izraisa neto elektriskā lādiņa atšķirība dažās konkrētu molekulu daļās. Šīs uzlādētās sekcijas piesaista citas molekulas ar vienādām īpašībām.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Ūdeņraža savienojumu izraisa dažu molekulu atomu tendence piesaistīt elektronus vairāk nekā to pavadošais atoms. Tas piešķir molekulai pastāvīgu dipola momentu - tas padara to polāru - tāpēc darbojas kā magnēts un piesaista citu polāro molekulu pretējo galu.
Elektronegativitāte un pastāvīgie dipola momenti
Elektronegativitātes īpašība galu galā izraisa ūdeņraža saiti. Kad atomi ir kovalenti saistīti viens ar otru, viņiem ir kopīgi elektroni. Ideālā kovalentās saites piemērā elektroni tiek sadalīti vienādi, tāpēc kopīgie elektroni atrodas aptuveni pusceļā starp vienu atomu un otru. Tomēr tas ir tikai gadījums, kad atomi vienlīdz efektīvi piesaista elektronus. Atomu spēja piesaistīt saistošos elektronus ir pazīstama kā elektronegativitāte, tādēļ, ja elektroni ir kopīgi starp atomiem ar tādu pašu elektronegativitāti, tad elektroni vidēji ir aptuveni pusceļā starp tiem (jo elektroni pārvietojas nepārtraukti).
Ja viens atoms ir vairāk elektronegatīvs nekā otrs, kopīgie elektroni ir ciešāk piesaistīti šim atomam. Tomēr elektroni ir uzlādēti, tādēļ, ja tie ir vairāk pakļauti pulcēties ap vienu atomu nekā otrs, tas ietekmē molekulas lādiņa līdzsvaru. Elektronegatīvais atoms, nevis elektriski neitrāls, iegūst nelielu neto negatīvo lādiņu. Un otrādi - mazāk elektronegatīvais atoms beidzas ar nelielu pozitīvu lādiņu. Šī maksas atšķirība rada molekulu ar tā dēvēto pastāvīgo dipola momentu, un tos bieži sauc par polārām molekulām.
Kā darbojas ūdeņraža saites
Polārajām molekulām to struktūrā ir divas uzlādētas sekcijas. Tādā pašā veidā, kā magnēta pozitīvais gals piesaista cita magnēta negatīvo galu, divu polāro molekulu pretējie gali var piesaistīt viens otru. Šo parādību sauc par ūdeņraža saiti, jo ūdeņradis ir mazāk elektronegatīvs nekā molekulas, ko tas bieži saista ar skābekli, slāpekli vai fluoru. Kad molekulas ūdeņraža gals ar tīro pozitīvo lādiņu tuvojas skābekļa, slāpekļa, fluora vai citam elektronegatīvam galam, rezultāts ir molekula-molekula saite (starpmolekulāra saite), kas atšķirībā no vairuma citu savienojumu veidu, ar kuriem jūs sastopaties ķīmijā, un tas ir atbildīgs par dažu dažādu vielas.
Ūdeņraža saites ir apmēram 10 reizes mazāk spēcīgas nekā kovalentās saites, kas satur atsevišķas molekulas kopā. Kovalentās saites ir grūti noārdāmas, jo, to darot, ir nepieciešams daudz enerģijas, bet ūdeņraža saites ir pietiekami vājas, lai tās varētu samērā viegli noārdīties. Šķidrumā apkārt ir daudz molekulu, kas grūstas, un šis process noved pie tā, ka ūdeņraža saites saplīst un pārveidojas, kad enerģijas ir pietiekami. Līdzīgi vielas karsēšana tā paša iemesla dēļ pārtrauc dažas ūdeņraža saites.
Ūdeņraža savienošana ūdenī
Ūdens (H2O) ir labs ūdeņraža savienojuma piemērs darbībā. Skābekļa molekula ir vairāk elektronegatīva nekā ūdeņradis, un abi ūdeņraža atomi atrodas vienā un tajā pašā molekulas pusē “v” formācijā. Tas ūdens molekulas pusei ar ūdeņraža atomiem piešķir tīro pozitīvo lādiņu, bet skābekļa pusei - neto negatīvo lādiņu. Tāpēc vienas ūdens molekulas ūdeņraža atomi savienojas ar citu ūdens molekulu skābekļa pusi.
Ūdeņraža savienošanai ir pieejami divi ūdeņraža atomi, un katrs skābekļa atoms var “pieņemt” ūdeņraža saites no diviem citiem avotiem. Tas uztur starpmolekulāro saiti spēcīgu un izskaidro, kāpēc ūdens viršanas temperatūra ir augstāka nekā amonjaks (kur slāpeklis var pieņemt tikai vienu ūdeņraža saiti). Ūdeņraža savienojums arī izskaidro, kāpēc ledus aizņem lielāku tilpumu nekā tā pati ūdens masa: ūdeņraža saites nostiprinās vietā un piešķir ūdenim regulārāku struktūru nekā tad, ja tas ir šķidrums.