Vodikova vez je pomembna tema v kemiji in podpira vedenje številnih snovi, s katerimi vsakodnevno komuniciramo, zlasti vode. Razumevanje vodikove vezi in tega, zakaj obstaja, je pomemben korak pri splošnejšem razumevanju medmolekularne vezi in kemije. Vodikova vezava je na koncu posledica razlike v neto električnem naboju v nekaterih delih določenih molekul. Ti nabiti deli privabljajo druge molekule z enakimi lastnostmi.
TL; DR (predolgo; Nisem prebral)
Vodikova vez je posledica nagnjenosti nekaterih atomov v molekulah, da pritegnejo elektrone bolj kot njihov spremljevalni atom. To daje molekuli trajni dipolni moment - zaradi česar je polarna - torej deluje kot magnet in privlači nasprotni konec drugih polarnih molekul.
Elektronegativnost in trajni dipolni trenutki
Lastnost elektronegativnosti na koncu povzroči vodikovo vez. Ko so atomi kovalentno povezani med seboj, si delijo elektrone. V popolnem primeru kovalentne vezi so elektroni enakomerno porazdeljeni, tako da so skupni elektroni približno na polovici med enim in drugim atomom. Vendar je to le v primeru, ko so atomi enako učinkoviti pri privabljanju elektronov. Sposobnost atomov, da privlačijo vezne elektrone, je znana kot elektronegativnost, torej če si elektrone delimo med atomi z enako elektronegativnostjo, potem so elektroni v povprečju približno na polovici poti (ker se elektroni gibljejo neprekinjeno).
Če je en atom bolj elektronegativen od drugega, so skupni elektroni bolj vlečeni k temu atomu. Vendar so elektroni nabiti, zato, če so bolj nagnjeni k združevanju okoli enega atoma kot drugega, to vpliva na ravnotežje naboja molekule. Namesto da je električno nevtralen, bolj elektronegativni atom dobi rahel neto negativni naboj. Nasprotno pa manj elektronegativni atom konča z rahlim pozitivnim nabojem. Ta razlika v naboju tvori molekulo s tako imenovanim stalnim dipolnim momentom, ki jih pogosto imenujemo polarne molekule.
Kako delujejo vodikove vezi
Polarne molekule imajo v svoji strukturi dva nabita odseka. Tako kot pozitivni konec magneta privlači negativni konec drugega magneta, se lahko nasprotna konca dveh polarnih molekul medsebojno privlačita. Ta pojav se imenuje vodikova vez, ker je vodik manj elektronegativen kot molekule, s katerimi se pogosto veže, kot so kisik, dušik ali fluor. Ko se vodikov konec molekule z neto pozitivnim nabojem približa kisiku, dušiku, fluoru ali drugemu elektronegativnemu koncu, je rezultat molekula-molekula vez (medmolekularna vez), ki je za razliko od večine drugih oblik vezi, s katero se srečujete v kemiji, in je odgovorna za nekatere edinstvene lastnosti različnih snovi.
Vodikove vezi so približno 10-krat manj močne od kovalentnih vezi, ki držijo posamezne molekule skupaj. Kovalentne vezi je težko prekiniti, ker to zahteva veliko energije, vodikove vezi pa so dovolj šibke, da jih lahko razmeroma enostavno prekinemo. V tekočini se naokoli vrti veliko molekul in ta postopek vodi do prekinitve in reformiranja vodikovih vezi, ko je energije dovolj. Podobno segrevanje snovi iz dejansko istega razloga prekine nekatere vodikove vezi.
Vodikova vezava v vodi
Voda (H2O) je dober primer vodikove vezi v akciji. Molekula kisika je bolj elektronegativna kot vodik, oba atoma vodika pa sta na isti strani molekule v "v" tvorbi. To daje strani molekule vode z vodikovimi atomi neto pozitivni naboj, kisikovi strani pa negativni naboj. Vodikovi atomi ene molekule vode se torej vežejo na kisikovo stran drugih molekul vode.
Za vodikovo vez v vodi sta na voljo dva atoma vodika in vsak atom kisika lahko "sprejme" vodikove vezi iz dveh drugih virov. To ohranja močno medmolekularno vez in pojasnjuje, zakaj ima voda višje vrelišče kot amonijak (kjer dušik lahko sprejme samo eno vodikovo vez). Vodikova vez tudi pojasnjuje, zakaj led zavzema večji volumen kot enaka masa vode: Vodikove vezi se fiksirajo in dajejo vodi bolj pravilno strukturo, kot če je tekočina.