Polarne molekule, ki vključujejo atom vodika, lahko tvorijo elektrostatične vezi, imenovane vodikove vezi. Vodikov atom je edinstven po tem, da je sestavljen iz enega elektrona okoli enega protona. Ko elektron privlačijo drugi atomi v molekuli, pozitivni naboj izpostavljenega protona povzroči molekularno polarizacijo.
Ta mehanizem omogoča takim molekulam, da tvorijo močne vodikove vezi nad kovalentnimi in ionskimi vezmi, ki so osnova večine spojin. Vodikove vezi lahko dajo spojinam posebne lastnosti in lahko materiale naredijo bolj stabilne kot spojine, ki ne morejo tvoriti vodikovih vezi.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Polarne molekule, ki vključujejo atom vodika v kovalentni vezi, imajo negativni naboj na enem koncu molekule in pozitiven naboj na nasprotnem koncu. Posamezni elektron iz vodikovega atoma migrira v drugi kovalentno vezan atom, pozitivno nabito vodikov proton pa ostane izpostavljen. Proton privlači negativno nabit konec drugih molekul in tvori elektrostatično vez z enim od drugih elektronov. Ta elektrostatična vez se imenuje vodikova vez.
Kako nastajajo polarne molekule
V kovalentnih vezah si atomi delijo elektrone, da tvorijo stabilno spojino. V nepolarnih kovalentnih vezah se elektroni delijo enako. Na primer, v nepolarni peptidni vezi se elektroni enakomerno porazdelijo med atom ogljika karbonilne skupine ogljik-kisik in atom dušika dušikove-vodikove amidne skupine.
Za polarne molekule se elektroni, ki se delijo v kovalentni vezi, običajno zbirajo na eni strani molekule, medtem ko druga stran postane pozitivno nabita. Elektroni se selijo, ker ima eden izmed atomov večjo afiniteto do elektronov kot drugi atomi v kovalentni vezi. Na primer, medtem ko je peptidna vez sama po sebi nepolarna, je struktura pripadajočih beljakovin dolžna na vodikove vezi med atomom kisika karbonilne skupine in atomom vodika amida skupini.
Tipične konfiguracije kovalentne vezi parijo atome, ki imajo v svoji zunanji lupini več elektronov, s tistimi, ki potrebujejo enako število elektronov, da zaključijo svojo zunanjo lupino. Atomi si delijo dodatne elektrone iz nekdanjega atoma in vsak atom ima nekaj časa celotno zunanjo elektronsko lupino.
Pogosto atom, ki potrebuje dodatne elektrone za dokončanje zunanje lupine, privlači elektrone močneje kot atom, ki zagotavlja dodatne elektrone. V tem primeru se elektroni ne delijo enakomerno in več časa preživijo s sprejemnim atomom. Posledično ima sprejemni atom običajno negativni naboj, medtem ko je donatorski atom pozitivno nabit. Takšne molekule so polarizirane.
Kako nastajajo vodikove vezi
Molekule, ki vključujejo kovalentno vezan atom vodika, so pogosto polarizirane, ker je posamezen elektron vodikovega atoma razmeroma ohlapen. Z lahkoto migrira na drugi atom kovalentne vezi, pri čemer ostane en pozitivno nabit proton vodikovega atoma na eni strani.
Ko atom vodika izgubi svoj elektron, lahko tvori močno elektrostatično vez, ker v nasprotju z drugimi atomi nima več elektronov, ki bi zaščitili pozitivni naboj. Protone privlačijo elektroni drugih molekul, nastala vez pa se imenuje vodikova vez.
Vodikove vezi v vodi
Molekule vode s kemično formulo H2O, so polarizirani in tvorijo močne vodikove vezi. En sam atom kisika tvori kovalentne vezi z obema atomoma vodika, vendar si elektronov ne deli enako. Dva vodikova elektrona večino časa preživita z atomom kisika, ki postane negativno nabit. Oba atoma vodika postaneta pozitivno nabita protona in tvorita vodikove vezi z elektroni iz kisikovih atomov drugih molekul vode.
Ker voda tvori te dodatne vezi med svojimi molekulami, ima več nenavadnih lastnosti. Voda ima izjemno močno površinsko napetost, ima nenavadno visoko vrelišče in zahteva veliko energije, da se iz tekoče vode spremeni v paro. Takšne lastnosti so značilne za materiale, pri katerih polarizirane molekule tvorijo vodikove vezi.