Водневий зв'язок є важливою темою в хімії, і це підтримує поведінку багатьох речовин, з якими ми щодня взаємодіємо, особливо води. Розуміння водневого зв’язку та того, чому він існує, є важливим кроком у розумінні міжмолекулярного зв’язку та хімії в цілому. Зв’язок водню в кінцевому рахунку спричинений різницею чистого електричного заряду в деяких частинах певних молекул. Ці заряджені ділянки залучають інші молекули з такими ж властивостями.
TL; ДР (занадто довгий; Не читав)
Водневий зв’язок зумовлений тенденцією деяких атомів у молекулах притягувати електрони більше, ніж супроводжуючий їх атом. Це надає молекулі постійний дипольний момент - це робить її полярною - тому вона діє як магніт і притягує протилежний кінець інших полярних молекул.
Електронегативність та постійні дипольні моменти
Властивість електронегативності в кінцевому підсумку спричиняє водневий зв'язок. Коли атоми ковалентно зв’язані між собою, вони діляться електронами. У прекрасному прикладі ковалентного зв’язку електрони розподіляються порівну, тому спільні електрони знаходяться приблизно на півдорозі між одним атомом та іншим. Однак це лише той випадок, коли атоми однаково ефективно притягують електрони. Здатність атомів притягувати зв’язуючі електрони відома як електронегативність, тому якщо електрони розподіляються між атомами з тією ж електронегативністю, тоді електрони в середньому знаходяться приблизно на половині шляху (оскільки електрони рухаються безперервно).
Якщо один атом більш електронегативний, ніж інший, спільні електрони більш притягуються до цього атома. Однак електрони заряджені, тому, якщо вони схильні до скупчення навколо одного атома, ніж іншого, це впливає на баланс заряду молекули. Замість того, щоб бути електрично нейтральним, більш електронегативний атом отримує незначний чистий негативний заряд. І навпаки, менш електронегативний атом закінчується невеликим позитивним зарядом. Ця різниця в заряді утворює молекулу з так званим постійним дипольним моментом, і їх часто називають полярними молекулами.
Як працюють водневі зв’язки
Полярні молекули мають у своїй структурі два заряджені ділянки. Так само, як позитивний кінець магніту притягує негативний кінець іншого магніту, протилежні кінці двох полярних молекул можуть притягувати один одного. Це явище називається водневим зв’язком, оскільки водень менш електронегативний, ніж молекули, з якими він часто зв’язується, наприклад, кисень, азот або фтор. Коли водневий кінець молекули з чистим позитивним зарядом наближається до кисню, азоту, фтору або іншого електронегативного кінця, в результаті виникає молекула-молекула зв’язок (міжмолекулярний зв’язок), який на відміну від більшості інших форм зв’язку, який ви зустрічаєте в хімії, відповідає за деякі унікальні властивості різних речовини.
Водневі зв’язки приблизно в 10 разів менш міцні, ніж ковалентні зв’язки, які утримують окремі молекули разом. Ковалентні зв’язки важко розірвати, оскільки для цього потрібно багато енергії, але водневі зв’язки досить слабкі, щоб їх можна було відносно легко розірвати. У рідині багато молекул, що штовхаються, і цей процес призводить до розриву та перетворення водневих зв’язків, коли енергії достатньо. Подібним чином нагрівання речовини розриває деякі водневі зв’язки практично з тієї ж причини.
Водневе зв’язування у воді
Вода (H2О) - хороший приклад водневого зв’язку в дії. Молекула кисню більш електронегативна, ніж водень, і обидва атоми Гідрогену знаходяться на одній стороні молекули у формі "v". Це дає стороні молекули води з атомами водню чистий позитивний заряд, а стороні кисню - чистий негативний заряд. Отже, атоми водню однієї молекули води зв’язуються з кисневою стороною інших молекул води.
Для зв’язку водню у воді доступні два атоми Гідрогену, і кожен атом кисню може “приймати” водневі зв’язки з двох інших джерел. Це підтримує міцність міжмолекулярного зв’язку і пояснює, чому вода має вищу температуру кипіння, ніж аміак (де азот може приймати лише один водневий зв’язок). Водневий зв’язок також пояснює, чому лід займає більший об’єм, ніж однакова маса води: водневі зв’язки закріплюються на місці і надають воді більш регулярну структуру, ніж коли вона є рідиною.