Hva forårsaker hydrogenbinding?

Hydrogenbinding er et viktig tema i kjemi, og det underbygger oppførselen til mange av stoffene vi samhandler med på en daglig basis, spesielt vann. Å forstå hydrogenbinding og hvorfor den eksisterer er et viktig skritt for å forstå intermolekylær binding og kjemi mer generelt. Hydrogenbinding er til slutt forårsaket av forskjellen i netto elektrisk ladning i noen deler av spesifikke molekyler. Disse ladede seksjonene tiltrekker seg andre molekyler med samme egenskaper.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Hydrogenbinding er forårsaket av tendensen til atomer i molekyler til å tiltrekke seg elektroner mer enn deres medfølgende atom. Dette gir molekylet et permanent dipolmoment - det gjør det polært - så det fungerer som en magnet og tiltrekker den motsatte enden av andre polare molekyler.

Eiendommen til elektronegativitet forårsaker til slutt hydrogenbinding. Når atomer er bundet kovalent til hverandre, deler de elektroner. I et perfekt eksempel på kovalent binding, deles elektronene likt, så delte elektroner er omtrent halvveis mellom det ene atom og det andre. Dette er imidlertid bare tilfelle når atomer er like effektive for å tiltrekke seg elektroner. Atomenes evne til å tiltrekke seg bindingselektronene er kjent som elektronegativitet, så hvis elektroner deles mellom atomer med samme elektronegativitet, så er elektronene omtrent halvveis mellom seg i gjennomsnitt (fordi elektroner beveger seg kontinuerlig).

Hvis det ene atomet er mer elektronegativt enn det andre, trekkes de delte elektronene nærmere det atomet. Imidlertid er elektroner ladet, så hvis de er mer tilbøyelige til å samles rundt det ene atomet enn det andre, påvirker dette balansen mellom molekylet. I stedet for å være elektrisk nøytral, får det mer elektronegative atomet en liten netto negativ ladning. Motsatt ender det mindre elektronegative atomet med en liten positiv ladning. Denne forskjellen i ladning produserer et molekyl med det som kalles et permanent dipolmoment, og disse kalles ofte polare molekyler.

Polare molekyler har to ladede seksjoner innenfor strukturen. På samme måte som den positive enden av en magnet tiltrekker den negative enden av en annen magnet, kan de motsatte endene av to polare molekyler tiltrekke seg hverandre. Dette fenomenet kalles hydrogenbinding fordi hydrogen er mindre elektronegativt enn molekyler det ofte binder med slik som oksygen, nitrogen eller fluor. Når hydrogenenden av molekylet med en netto positiv ladning kommer nær oksygen, nitrogen, fluor eller en annen elektronegativ ende, er resultatet et molekyl-molekyl binding (en intermolekylær binding), som er ulik de fleste andre former for binding du opplever i kjemi, og den er ansvarlig for noen av de unike egenskapene til forskjellige stoffer.

Hydrogenbindinger er omtrent 10 ganger mindre sterke enn de kovalente bindingene som holder de enkelte molekylene sammen. Kovalente bindinger er vanskelige å bryte fordi det krever mye energi, men hydrogenbindinger er svake nok til å brytes relativt enkelt. I en væske er det mange molekyler som støter rundt, og denne prosessen fører til at hydrogenbindinger brytes og reformeres når energien er tilstrekkelig. Tilsvarende bryter oppvarming av stoffet noen hydrogenbindinger av samme grunn.

Vann (H₂O) er et godt eksempel på hydrogenbinding i aksjon. Oksygenmolekylet er mer elektronegativt enn hydrogen, og begge hydrogenatomene er på samme side av molekylet i en “v” formasjon. Dette gir siden av vannmolekylet med hydrogenatomene en netto positiv ladning og oksygensiden en netto negativ ladning. Hydrogenatomene i ett vannmolekyl binder seg derfor til oksygensiden til andre vannmolekyler.

Det er to hydrogenatomer tilgjengelig for hydrogenbinding i vann, og hvert oksygenatom kan "akseptere" hydrogenbindinger fra to andre kilder. Dette holder den intermolekylære bindingen sterk og forklarer hvorfor vann har et høyere kokepunkt enn ammoniakk (hvor nitrogenet bare kan akseptere en hydrogenbinding). Hydrogenbinding forklarer også hvorfor is opptar mer volum enn samme vannmasse: Hydrogenbindinger blir festet på plass og gir vannet en mer regelmessig struktur enn når det er en væske.