อะไรทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจน?

พันธะไฮโดรเจนเป็นหัวข้อที่สำคัญในวิชาเคมี และเป็นรากฐานของพฤติกรรมของสารหลายชนิดที่เราโต้ตอบด้วยในแต่ละวัน โดยเฉพาะน้ำ การทำความเข้าใจพันธะไฮโดรเจนและเหตุผลที่มีอยู่เป็นขั้นตอนสำคัญในการทำความเข้าใจพันธะระหว่างโมเลกุลและเคมีโดยทั่วไป ในที่สุดพันธะไฮโดรเจนเกิดจากความแตกต่างของประจุไฟฟ้าสุทธิในบางส่วนของโมเลกุลจำเพาะ ส่วนที่มีประจุเหล่านี้ดึงดูดโมเลกุลอื่นที่มีคุณสมบัติเหมือนกัน

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

พันธะไฮโดรเจนเกิดจากแนวโน้มของอะตอมในโมเลกุลที่จะดึงดูดอิเล็กตรอนมากกว่าอะตอมที่มาพร้อมกัน สิ่งนี้ทำให้โมเลกุลมีโมเมนต์ไดโพลถาวร - ทำให้มีขั้ว - ดังนั้นมันจึงทำหน้าที่เหมือนแม่เหล็กและดึงดูดปลายด้านตรงข้ามของโมเลกุลขั้วอื่น ๆ

คุณสมบัติของอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจนในที่สุด เมื่ออะตอมมีพันธะโควาเลนต์ซึ่งกันและกัน พวกเขาจะใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน ในตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบของพันธะโควาเลนต์ อิเล็กตรอนจะถูกแบ่งเท่าๆ กัน ดังนั้นอิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันจึงอยู่กึ่งกลางระหว่างอะตอมหนึ่งกับอีกอะตอมหนึ่ง อย่างไรก็ตาม นี่เป็นเพียงกรณีที่อะตอมมีประสิทธิภาพในการดึงดูดอิเล็กตรอนเท่ากัน ความสามารถของอะตอมในการดึงดูดอิเล็กตรอนพันธะที่เรียกว่าอิเล็กโตรเนกาติวีตี้ดังนั้นหากอิเล็กตรอนถูกแบ่งระหว่างอะตอม ด้วยอิเล็กโตรเนกาติวีตี้เท่ากัน โดยเฉลี่ยแล้วอิเล็กตรอนจะอยู่กึ่งกลางระหว่างพวกมันโดยเฉลี่ย (เพราะอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ อย่างต่อเนื่อง).

ถ้าอะตอมหนึ่งมีอิเลคโตรเนกาติตีมากกว่าอีกอะตอมหนึ่ง อิเล็กตรอนที่ใช้ร่วมกันจะถูกดึงเข้าใกล้อะตอมนั้นมากขึ้น อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนจะถูกชาร์จ ดังนั้นหากพวกมันมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันรอบ ๆ อะตอมมากกว่าอะตอมอื่น สิ่งนี้จะส่งผลต่อความสมดุลของประจุของโมเลกุล อะตอมของอิเลคโตรเนกาทีฟที่มากกว่าจะได้รับประจุลบสุทธิเล็กน้อยมากกว่าที่จะเป็นกลางทางไฟฟ้า ในทางกลับกัน อะตอมที่มีอิเล็กโตรเนกาติตีน้อยกว่าจะมีประจุบวกเล็กน้อย ความแตกต่างของประจุทำให้เกิดโมเลกุลที่เรียกว่าโมเมนต์ไดโพลถาวร และสิ่งเหล่านี้มักเรียกว่าโมเลกุลมีขั้ว

โมเลกุลของขั้วมีส่วนที่มีประจุสองส่วนภายในโครงสร้าง ในลักษณะเดียวกับที่ปลายด้านบวกของแม่เหล็กดึงดูดปลายด้านลบของแม่เหล็กอีกตัวหนึ่ง ปลายด้านตรงข้ามของโมเลกุลมีขั้วสองขั้วสามารถดึงดูดซึ่งกันและกันได้ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าพันธะไฮโดรเจน เนื่องจากไฮโดรเจนมีอิเลคโตรเนกาติตีน้อยกว่าโมเลกุลที่มักจับกับออกซิเจน เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน หรือฟลูออรีน เมื่อปลายไฮโดรเจนของโมเลกุลที่มีประจุบวกสุทธิเข้ามาใกล้กับออกซิเจน ไนโตรเจน ฟลูออรีน หรือปลายอิเล็กโตรเนกาทีฟอื่น ๆ ผลที่ได้คือโมเลกุล-โมเลกุล พันธะ (พันธะระหว่างโมเลกุล) ซึ่งแตกต่างจากพันธะรูปแบบอื่น ๆ ส่วนใหญ่ที่คุณพบในวิชาเคมี และมีหน้าที่รับผิดชอบคุณสมบัติพิเศษบางอย่างของพันธะที่แตกต่างกัน สาร

พันธะไฮโดรเจนมีความแข็งแรงน้อยกว่าพันธะโควาเลนต์ที่ยึดโมเลกุลแต่ละตัวไว้ด้วยกันประมาณ 10 เท่า พันธะโควาเลนต์นั้นแตกยากเพราะการทำเช่นนั้นต้องใช้พลังงานมาก แต่พันธะไฮโดรเจนนั้นอ่อนแอพอที่จะแตกหักได้ค่อนข้างง่าย ในของเหลว มีโมเลกุลจำนวนมากที่กระแทกรอบๆ และกระบวนการนี้นำไปสู่การแตกตัวของพันธะไฮโดรเจนและปฏิรูปเมื่อพลังงานเพียงพอ ในทำนองเดียวกัน การให้ความร้อนกับสารจะทำลายพันธะไฮโดรเจนบางส่วนด้วยเหตุผลเดียวกัน

น้ำ (H₂O) เป็นตัวอย่างที่ดีของพันธะไฮโดรเจนในการทำงาน โมเลกุลออกซิเจนมีอิเลคโตรเนกาติตีมากกว่าไฮโดรเจน และอะตอมไฮโดรเจนทั้งสองอยู่ด้านเดียวกันของโมเลกุลในรูปแบบ "v" สิ่งนี้ทำให้ด้านข้างของโมเลกุลของน้ำที่มีอะตอมของไฮโดรเจนมีประจุบวกสุทธิ และด้านออกซิเจนมีประจุลบสุทธิ อะตอมไฮโดรเจนของโมเลกุลน้ำหนึ่งโมเลกุลจึงจับกับออกซิเจนของโมเลกุลน้ำอื่น

มีไฮโดรเจนอยู่สองอะตอมสำหรับพันธะไฮโดรเจนในน้ำ และออกซิเจนแต่ละอะตอมสามารถ "ยอมรับ" พันธะไฮโดรเจนจากแหล่งอื่นอีกสองแหล่ง สิ่งนี้ทำให้พันธะระหว่างโมเลกุลแข็งแรงและอธิบายได้ว่าทำไมน้ำถึงมีจุดเดือดที่สูงกว่าแอมโมเนีย (ซึ่งไนโตรเจนสามารถรับได้เพียงพันธะไฮโดรเจนเดียวเท่านั้น) พันธะไฮโดรเจนยังอธิบายด้วยว่าเหตุใดน้ำแข็งจึงมีปริมาตรมากกว่ามวลน้ำเดียวกัน: พันธะไฮโดรเจนจะยึดอยู่กับที่และทำให้น้ำมีโครงสร้างที่สม่ำเสมอมากกว่าเมื่อเป็นของเหลว