Co powoduje wiązanie wodorowe?

Wiązanie wodorowe jest ważnym tematem w chemii i stanowi podstawę zachowania wielu substancji, z którymi mamy do czynienia na co dzień, zwłaszcza wody. Zrozumienie wiązań wodorowych i ich przyczyn jest ważnym krokiem w bardziej ogólnym zrozumieniu wiązań międzycząsteczkowych i chemii. Wiązanie wodorowe jest ostatecznie spowodowane różnicą ładunku elektrycznego netto w niektórych częściach określonych cząsteczek. Te naładowane sekcje przyciągają inne cząsteczki o tych samych właściwościach.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Wiązanie wodorowe jest spowodowane tendencją niektórych atomów w cząsteczkach do przyciągania elektronów bardziej niż towarzyszący im atom. Daje to cząsteczce stały moment dipolowy – sprawia, że ​​jest polarna – więc działa jak magnes i przyciąga przeciwny koniec innych cząsteczek polarnych.

Właściwość elektroujemności ostatecznie powoduje wiązanie wodorowe. Gdy atomy są ze sobą kowalencyjnie związane, dzielą elektrony. W doskonałym przykładzie wiązania kowalencyjnego elektrony są dzielone równo, więc wspólne elektrony znajdują się mniej więcej w połowie drogi między jednym atomem a drugim. Jednak dzieje się tak tylko wtedy, gdy atomy są równie skuteczne w przyciąganiu elektronów. Zdolność atomów do przyciągania elektronów wiążących jest znana jako elektroujemność, więc jeśli elektrony są dzielone między atomami przy tej samej elektroujemności elektrony są średnio mniej więcej w połowie drogi między nimi (ponieważ elektrony poruszają się bez przerwy).

Jeśli jeden atom jest bardziej elektroujemny niż drugi, wspólne elektrony są bliżej tego atomu. Jednak elektrony są naładowane, więc jeśli mają większą skłonność do gromadzenia się wokół jednego atomu niż drugiego, wpływa to na równowagę ładunku cząsteczki. Zamiast być elektrycznie obojętny, bardziej elektroujemny atom zyskuje niewielki ładunek ujemny netto. I odwrotnie, mniej elektroujemny atom ma niewielki ładunek dodatni. Ta różnica w ładunku wytwarza cząsteczkę z tak zwanym stałym momentem dipolowym, a te są często nazywane cząsteczkami polarnymi.

Cząsteczki polarne mają w swojej strukturze dwie naładowane sekcje. W ten sam sposób, w jaki dodatni koniec magnesu przyciąga ujemny koniec innego magnesu, przeciwne końce dwóch polarnych cząsteczek mogą się przyciągać. Zjawisko to nazywa się wiązaniem wodorowym, ponieważ wodór jest mniej elektroujemny niż cząsteczki, z którymi często się łączy, takie jak tlen, azot czy fluor. Gdy wodorowy koniec cząsteczki z dodatnim ładunkiem netto zbliża się do tlenu, azotu, fluoru lub innego elektroujemnego końca, wynikiem jest cząsteczka cząsteczka wiązanie (wiązanie międzycząsteczkowe), które różni się od większości innych form wiązania spotykanych w chemii i jest odpowiedzialne za niektóre unikalne właściwości różnych Substancje.

Wiązania wodorowe są około 10 razy słabsze niż wiązania kowalencyjne, które utrzymują razem poszczególne cząsteczki. Wiązania kowalencyjne są trudne do zerwania, ponieważ wymaga to dużej ilości energii, ale wiązania wodorowe są na tyle słabe, że można je stosunkowo łatwo zerwać. W cieczy porusza się wiele cząsteczek, a proces ten prowadzi do zrywania i ponownego tworzenia wiązań wodorowych, gdy energia jest wystarczająca. Podobnie ogrzewanie substancji zrywa niektóre wiązania wodorowe z tego samego powodu.

Woda (H₂O) jest dobrym przykładem działania wiązania wodorowego. Cząsteczka tlenu jest bardziej elektroujemna niż wodór, a oba atomy wodoru znajdują się po tej samej stronie cząsteczki w formacji „v”. Daje to stronie cząsteczki wody z atomami wodoru netto ładunek dodatni, a stronie tlenu ujemny ładunek netto. Atomy wodoru jednej cząsteczki wody wiążą się zatem ze stroną tlenową innych cząsteczek wody.

Istnieją dwa atomy wodoru dostępne do tworzenia wiązań wodorowych w wodzie, a każdy atom tlenu może „przyjmować” wiązania wodorowe z dwóch innych źródeł. To utrzymuje silne wiązania międzycząsteczkowe i wyjaśnia, dlaczego woda ma wyższą temperaturę wrzenia niż amoniak (gdzie azot może przyjąć tylko jedno wiązanie wodorowe). Wiązanie wodorowe wyjaśnia również, dlaczego lód zajmuje większą objętość niż ta sama masa wody: Wiązania wodorowe utrwalają się i nadają wodzie bardziej regularną strukturę niż w przypadku cieczy.