Cząsteczki polarne zawierające atom wodoru mogą tworzyć wiązania elektrostatyczne zwane wiązaniami wodorowymi. Atom wodoru jest wyjątkowy, ponieważ składa się z pojedynczego elektronu wokół pojedynczego protonu. Kiedy elektron jest przyciągany do innych atomów w cząsteczce, dodatni ładunek odsłoniętego protonu powoduje polaryzację molekularną.
Mechanizm ten umożliwia takim cząsteczkom tworzenie silnych wiązań wodorowych ponad wiązaniami kowalencyjnymi i jonowymi, które są podstawą większości związków. Wiązania wodorowe mogą nadać związkom specjalne właściwości i mogą sprawić, że materiały będą bardziej stabilne niż związki, które nie mogą tworzyć wiązań wodorowych.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Cząsteczki polarne, które zawierają atom wodoru w wiązaniu kowalencyjnym, mają ładunek ujemny na jednym końcu cząsteczki i ładunek dodatni na drugim końcu. Pojedynczy elektron z atomu wodoru migruje do drugiego atomu związanego kowalencyjnie, pozostawiając odsłonięty dodatnio naładowany proton wodoru. Proton jest przyciągany do ujemnie naładowanego końca innych cząsteczek, tworząc wiązanie elektrostatyczne z jednym z pozostałych elektronów. To wiązanie elektrostatyczne nazywa się wiązaniem wodorowym.
Jak powstają cząsteczki polarne
W wiązaniach kowalencyjnych atomy dzielą elektrony, tworząc stabilny związek. W niepolarnych wiązaniach kowalencyjnych elektrony są dzielone równo. Na przykład, w niepolarnym wiązaniu peptydowym, elektrony są równo podzielone między atom węgla grupy węgiel-tlen karbonylowy i atom azotu grupy azot-wodoroamid.
W przypadku cząsteczek polarnych elektrony wspólne w wiązaniu kowalencyjnym mają tendencję do gromadzenia się po jednej stronie cząsteczki, podczas gdy druga strona staje się naładowana dodatnio. Elektrony migrują, ponieważ jeden z atomów ma większe powinowactwo do elektronów niż inne atomy w wiązaniu kowalencyjnym. Na przykład, chociaż samo wiązanie peptydowe jest niepolarne, struktura związanego z nim białka jest odpowiednia do wiązań wodorowych między atomem tlenu grupy karbonylowej a atomem wodoru amidu Grupa.
Typowe konfiguracje wiązań kowalencyjnych łączą atomy, które mają kilka elektronów w zewnętrznej powłoce, z tymi, które potrzebują tej samej liczby elektronów do uzupełnienia zewnętrznej powłoki. Atomy dzielą dodatkowe elektrony z poprzedniego atomu, a każdy atom ma czasami kompletną zewnętrzną powłokę elektronową.
Często atom, który potrzebuje dodatkowych elektronów, aby uzupełnić swoją zewnętrzną powłokę, przyciąga elektrony silniej niż atom dostarczający dodatkowe elektrony. W tym przypadku elektrony nie są dzielone równomiernie i spędzają więcej czasu z atomem odbierającym. W rezultacie atom odbierający ma tendencję do posiadania ładunku ujemnego, podczas gdy atom donorowy jest naładowany dodatnio. Takie cząsteczki są spolaryzowane.
Jak powstają wiązania wodorowe
Cząsteczki zawierające kowalencyjnie związany atom wodoru są często spolaryzowane, ponieważ pojedynczy elektron atomu wodoru jest stosunkowo luźno trzymany. Łatwo migruje do drugiego atomu wiązania kowalencyjnego, pozostawiając po jednej stronie pojedynczy dodatnio naładowany proton atomu wodoru.
Kiedy atom wodoru traci swój elektron, może utworzyć silne wiązanie elektrostatyczne, ponieważ w przeciwieństwie do innych atomów nie ma już żadnych elektronów osłaniających ładunek dodatni. Proton jest przyciągany do elektronów innych cząsteczek, a powstałe wiązanie nazywa się wiązaniem wodorowym.
Wiązania wodorowe w wodzie
Cząsteczki wody o wzorze chemicznym H2O są spolaryzowane i tworzą silne wiązania wodorowe. Pojedynczy atom tlenu tworzy wiązania kowalencyjne z dwoma atomami wodoru, ale nie dzieli równo elektronów. Dwa elektrony wodoru spędzają większość czasu z atomem tlenu, który zostaje naładowany ujemnie. Dwa atomy wodoru stają się dodatnio naładowanymi protonami i tworzą wiązania wodorowe z elektronami z atomów tlenu innych cząsteczek wody.
Ponieważ woda tworzy te dodatkowe wiązania między swoimi cząsteczkami, ma kilka niezwykłych właściwości. Woda ma wyjątkowo silne napięcie powierzchniowe, ma niezwykle wysoką temperaturę wrzenia i wymaga dużo energii, aby przemienić się z wody w stanie ciekłym w parę. Takie właściwości są typowe dla materiałów, dla których spolaryzowane cząsteczki tworzą wiązania wodorowe.