Vodíkové väzby sú dôležitou témou v chémii a sú základom správania mnohých látok, s ktorými dennodenne interagujeme, najmä vody. Pochopenie vodíkovej väzby a toho, prečo existuje, je dôležitým krokom v porozumení intermolekulárnej väzby a chémie všeobecnejšie. Vodíková väzba je nakoniec spôsobená rozdielom v čistom elektrickom náboji v niektorých častiach špecifických molekúl. Tieto nabité časti priťahujú ďalšie molekuly s rovnakými vlastnosťami.
TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)
Vodíková väzba je spôsobená tendenciou niektorých atómov v molekulách priťahovať elektróny viac ako ich sprievodný atóm. To dáva molekule permanentný dipólový moment - robí ju polárnou - takže pôsobí ako magnet a priťahuje opačný koniec iných polárnych molekúl.
Elektronegativita a trvalé dipólové momenty
Vlastnosť elektronegativity nakoniec spôsobuje vodíkové väzby. Keď sú atómy navzájom kovalentne viazané, delia sa o elektróny. V perfektnom príklade kovalentnej väzby sú elektróny zdieľané rovnako, takže zdieľané elektróny sú zhruba v polovici cesty medzi jedným atómom a druhým. To je však iba prípad, keď sú atómy rovnako účinné pri priťahovaní elektrónov. Schopnosť atómov priťahovať väzobné elektróny je známa ako elektronegativita, takže ak sú elektróny zdieľané medzi atómami pri rovnakej elektronegativite sú potom elektróny v priemere zhruba v polovici medzi nimi (pretože elektróny sa pohybujú nepretržite).
Ak je jeden atóm elektronegatívnejší ako druhý, zdieľané elektróny sú k tomuto atómu bližšie priťahované. Elektróny sú však nabité, takže ak sú náchylnejšie na zhromažďovanie okolo jedného atómu ako druhého, ovplyvňuje to rovnováhu náboja molekuly. Namiesto toho, aby bol elektricky neutrálny, elektronegatívnejší atóm získa mierny čistý záporný náboj. Naopak, menej elektronegatívny atóm končí s miernym kladným nábojom. Tento rozdiel v náboji produkuje molekulu s takzvaným permanentným dipólovým momentom, ktoré sa často nazývajú polárne molekuly.
Ako fungujú vodíkové väzby
Polárne molekuly majú vo svojej štruktúre dve nabité sekcie. Rovnakým spôsobom, ako kladný koniec magnetu priťahuje záporný koniec iného magnetu, sa môžu opačné konce dvoch polárnych molekúl navzájom priťahovať. Tento jav sa nazýva vodíková väzba, pretože vodík je menej elektronegatívny ako molekuly, s ktorými sa často spája, ako je kyslík, dusík alebo fluór. Keď sa vodíkový koniec molekuly so čistým kladným nábojom priblíži ku kyslíku, dusíku, fluóru alebo inému elektronegatívnemu koncu, výsledkom je molekula-molekula väzba (intermolekulárna väzba), ktorá je na rozdiel od väčšiny ostatných foriem väzieb, s ktorými sa v chémii stretávate, a je zodpovedná za niektoré jedinečné vlastnosti rôznych látok.
Vodíkové väzby sú asi 10-krát menej silné ako kovalentné väzby, ktoré držia jednotlivé molekuly pohromade. Kovalentné väzby sa ťažko zlomia, pretože to vyžaduje veľa energie, ale vodíkové väzby sú dosť slabé na to, aby sa mohli relatívne ľahko rozbiť. V kvapaline sa okolo pohybuje veľa molekúl a tento proces vedie k rozbitiu a reformovaniu vodíkových väzieb, keď je energia dostatočná. Podobne zahrievaním látky sa z rovnakého dôvodu skutočne rozbijú niektoré vodíkové väzby.
Vodíkové väzby vo vode
Voda (H2O) je dobrým príkladom vodíkovej väzby v akcii. Molekula kyslíka je elektronegatívnejšia ako vodík a oba atómy vodíka sú na tej istej strane molekuly v tvare „v“. To dáva strane molekuly vody s atómami vodíka čistý kladný náboj a strane kyslíka čistý negatívny náboj. Atómy vodíka jednej molekuly vody sa preto viažu na kyslíkovú stranu iných molekúl vody.
Pre vodíkovú väzbu vo vode sú k dispozícii dva atómy vodíka a každý atóm kyslíka môže „prijímať“ vodíkové väzby z dvoch ďalších zdrojov. Toto udržuje intermolekulárnu väzbu silnú a vysvetľuje to, prečo má voda vyššiu teplotu varu ako amoniak (kde dusík dokáže prijať iba jednu vodíkovú väzbu). Vodíkové väzby tiež vysvetľujú, prečo ľad zaberá väčší objem ako rovnaké množstvo vody: Vodíkové väzby sa fixujú na svojom mieste a poskytujú vode pravidelnejšiu štruktúru, ako keď je tekutá.