Polaire moleculen die een waterstofatoom bevatten, kunnen elektrostatische bindingen vormen die waterstofbruggen worden genoemd. Het waterstofatoom is uniek omdat het bestaat uit een enkel elektron rond een enkel proton. Wanneer het elektron wordt aangetrokken door de andere atomen in het molecuul, resulteert de positieve lading van het blootgestelde proton in moleculaire polarisatie.
Door dit mechanisme kunnen dergelijke moleculen sterke waterstofbruggen vormen bovenop de covalente en ionische bindingen die de basis vormen van de meeste verbindingen. Waterstofbindingen kunnen verbindingen speciale eigenschappen geven en kunnen materialen stabieler maken dan verbindingen die geen waterstofbruggen kunnen vormen.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Polaire moleculen die een waterstofatoom in een covalente binding bevatten, hebben een negatieve lading aan het ene uiteinde van het molecuul en een positieve lading aan het andere uiteinde. Het enkele elektron van het waterstofatoom migreert naar het andere covalent gebonden atoom, waardoor het positief geladen waterstofproton bloot komt te liggen. Het proton wordt aangetrokken door het negatief geladen uiteinde van andere moleculen en vormt een elektrostatische binding met een van de andere elektronen. Deze elektrostatische binding wordt een waterstofbinding genoemd.
Hoe polaire moleculen worden gevormd
In covalente bindingen delen atomen elektronen om een stabiele verbinding te vormen. In niet-polaire covalente bindingen worden de elektronen gelijk verdeeld. In een niet-polaire peptidebinding worden elektronen bijvoorbeeld gelijkelijk verdeeld tussen het koolstofatoom van de koolstof-zuurstofcarbonylgroep en het stikstofatoom van de stikstof-waterstofamidegroep.
Voor polaire moleculen hebben de elektronen die in een covalente binding worden gedeeld de neiging zich aan de ene kant van het molecuul te verzamelen, terwijl de andere kant positief geladen wordt. De elektronen migreren omdat een van de atomen een grotere affiniteit heeft voor elektronen dan de andere atomen in de covalente binding. Terwijl de peptidebinding zelf bijvoorbeeld niet-polair is, is de structuur van het bijbehorende eiwit het gevolg waterstofbruggen tussen het zuurstofatoom van de carbonylgroep en het waterstofatoom van het amide groep.
Typische covalente bindingsconfiguraties koppelen atomen met meerdere elektronen in hun buitenste schil met die atomen die hetzelfde aantal elektronen nodig hebben om hun buitenste schil te voltooien. De atomen delen de extra elektronen van het eerste atoom, en elk atoom heeft soms een volledige buitenste elektronenschil.
Vaak trekt het atoom dat extra elektronen nodig heeft om zijn buitenste schil te voltooien de elektronen sterker aan dan het atoom dat de extra elektronen levert. In dit geval worden de elektronen niet gelijkmatig verdeeld en brengen ze meer tijd door met het ontvangende atoom. Als gevolg hiervan heeft het ontvangende atoom de neiging om een negatieve lading te hebben, terwijl het donoratoom positief geladen is. Dergelijke moleculen zijn gepolariseerd.
Hoe waterstofbruggen worden gevormd
Moleculen die een covalent gebonden waterstofatoom bevatten, zijn vaak gepolariseerd omdat het enkele elektron van het waterstofatoom relatief losjes wordt vastgehouden. Het migreert gemakkelijk naar het andere atoom van de covalente binding, waarbij het enkele positief geladen proton van het waterstofatoom aan de ene kant achterblijft.
Wanneer het waterstofatoom zijn elektron verliest, kan het een sterke elektrostatische binding vormen omdat het, in tegenstelling tot andere atomen, geen elektronen meer heeft die de positieve lading afschermen. Het proton wordt aangetrokken door de elektronen van de andere moleculen en de resulterende binding wordt een waterstofbinding genoemd.
Waterstofbindingen in water
De moleculen van water, met chemische formule H2O, zijn gepolariseerd en vormen sterke waterstofbruggen. Het enkele zuurstofatoom vormt covalente bindingen met de twee waterstofatomen, maar deelt de elektronen niet gelijk. De twee waterstofelektronen brengen het grootste deel van hun tijd door met het zuurstofatoom, dat negatief geladen wordt. De twee waterstofatomen worden positief geladen protonen en vormen waterstofbruggen met de elektronen van de zuurstofatomen van andere watermoleculen.
Omdat water deze extra bindingen tussen zijn moleculen vormt, heeft het verschillende ongebruikelijke eigenschappen. Water heeft een uitzonderlijk sterke oppervlaktespanning, heeft een ongewoon hoog kookpunt en heeft veel energie nodig om van vloeibaar water in stoom te veranderen. Dergelijke eigenschappen zijn typerend voor materialen waarvoor gepolariseerde moleculen waterstofbruggen vormen.