Legarea hidrogenului este un subiect important în chimie și stă la baza comportamentului multor substanțe cu care interacționăm zilnic, în special a apei. Înțelegerea legăturii de hidrogen și de ce există este un pas important în înțelegerea legăturii intermoleculare și a chimiei mai general. Legarea hidrogenului este cauzată în cele din urmă de diferența de încărcare electrică netă în unele părți ale moleculelor specifice. Aceste secțiuni încărcate atrag alte molecule cu aceleași proprietăți.
TL; DR (Prea lung; Nu am citit)
Legarea hidrogenului este cauzată de tendința unor atomi din molecule de a atrage electroni mai mult decât atomul lor însoțitor. Acest lucru conferă moleculei un moment dipol permanent - o face polară - deci acționează ca un magnet și atrage capătul opus al altor molecule polare.
Electronegativitate și momente dipolice permanente
Proprietatea electronegativității determină în cele din urmă legarea hidrogenului. Când atomii sunt legați covalent între ei, aceștia împart electroni. Într-un exemplu perfect de legătură covalentă, electronii sunt împărțiți în mod egal, astfel încât electronii împărtășiți sunt aproximativ la jumătatea distanței dintre un atom și celălalt. Cu toate acestea, acest lucru este valabil doar atunci când atomii sunt la fel de eficienți în atragerea electronilor. Capacitatea atomilor de a atrage electronii de legătură este cunoscută sub numele de electronegativitate, deci dacă electronii sunt împărțiți între atomi cu aceeași electronegativitate, atunci electronii sunt aproximativ la jumătatea distanței dintre ei în medie (deoarece electronii se mișcă continuu).
Dacă un atom este mai electronegativ decât celălalt, electronii împărtășiți sunt mai strâns atrași de acel atom. Cu toate acestea, electronii sunt încărcați, deci dacă sunt mai predispuși să se adune în jurul unui atom decât celălalt, acest lucru afectează echilibrul de încărcare al moleculei. În loc să fie neutru din punct de vedere electric, atomul mai electronegativ câștigă o ușoară sarcină negativă netă. În schimb, atomul mai puțin electronegativ se termină cu o ușoară încărcare pozitivă. Această diferență de sarcină produce o moleculă cu ceea ce se numește un moment dipol permanent și acestea sunt adesea numite molecule polare.
Cum funcționează legăturile de hidrogen
Moleculele polare au două secțiuni încărcate în structura lor. În același mod în care capătul pozitiv al unui magnet atrage capătul negativ al unui alt magnet, capetele opuse ale a două molecule polare se pot atrage reciproc. Acest fenomen se numește legătură cu hidrogen, deoarece hidrogenul este mai puțin electronegativ decât moleculele pe care le leagă adesea cu oxigenul, azotul sau fluorul. Când capătul de hidrogen al moleculei cu o sarcină netă pozitivă se apropie de oxigen, azot, fluor sau un alt capăt electronegativ, rezultatul este o moleculă-moleculă (o legătură intermoleculară), care este diferită de majoritatea celorlalte forme de legătură pe care le întâlniți în chimie și este responsabilă pentru unele dintre proprietățile unice ale diferitelor substanțe.
Legăturile de hidrogen sunt de aproximativ 10 ori mai puțin puternice decât legăturile covalente care mențin moleculele individuale împreună. Legăturile covalente sunt greu de rupt, deoarece acest lucru necesită multă energie, dar legăturile de hidrogen sunt suficient de slabe pentru a fi rupte relativ ușor. Într-un lichid, există o mulțime de molecule care se împing în jur și acest proces duce la ruperea și reformarea legăturilor de hidrogen atunci când energia este suficientă. În mod similar, încălzirea substanței rupe unele legături de hidrogen efectiv din același motiv.
Legarea hidrogenului în apă
Apă (H2O) este un bun exemplu de legătură de hidrogen în acțiune. Molecula de oxigen este mai electronegativă decât hidrogenul și ambii atomi de hidrogen se află pe aceeași parte a moleculei într-o formațiune „v”. Acest lucru conferă părții moleculei de apă cu atomii de hidrogen o sarcină netă pozitivă, iar partea de oxigen o sarcină netă negativă. Prin urmare, atomii de hidrogen ai unei molecule de apă se leagă de partea de oxigen a altor molecule de apă.
Există doi atomi de hidrogen disponibili pentru legarea hidrogenului în apă și fiecare atom de oxigen poate „accepta” legături de hidrogen din alte două surse. Acest lucru menține legătura intermoleculară puternică și explică de ce apa are un punct de fierbere mai mare decât amoniacul (unde azotul poate accepta doar o singură legătură de hidrogen). Legătura cu hidrogen explică, de asemenea, de ce gheața ocupă mai mult volum decât aceeași masă de apă: legăturile de hidrogen se fixează în loc și conferă apei o structură mai regulată decât atunci când este un lichid.