Większość ludzi jest zadowolona z idei wiązań jonowych i kowalencyjnych, ale nie jest pewna, jakie są wiązania wodorowe, jak się tworzą i dlaczego są ważne.
Kluczowe wydarzenia: obligacje wodorowe
- Wiązanie wodorowe jest przyciąganiem między dwoma atomami, które już uczestniczą w innych wiązaniach chemicznych. Jednym z atomów jest wodór, a drugim może być dowolny elektroujemny atom, taki jak tlen, chlor lub fluor.
- Wiązania wodorowe mogą tworzyć się między atomami w cząsteczce lub między dwoma oddzielnymi cząsteczkami.
- Wiązanie wodorowe jest słabsze niż wiązanie jonowe lub wiązanie kowalencyjne, ale silniejsze niż siły van der Waalsa.
- Wiązania wodorowe odgrywają ważną rolę w biochemii i wytwarzają wiele unikalnych właściwości wody.
Definicja wiązania wodorowego
Wiązanie wodorowe jest rodzajem atrakcyjnej interakcji (dipol-dipol) między elektroujemną atom i a wodór atom wolnocłowy do innego elektroujemnego atomu. Wiązanie to zawsze obejmuje atom wodoru. Wiązania wodorowe może wystąpić między molekuły lub w obrębie części pojedynczej cząsteczki.
Wiązanie wodorowe jest zwykle silniejsze niż siły van der Waalsa, ale słabszy niż wiązania kowalencyjne lub wiązania jonowe. Jest to około 1/20 (5%) siły wiązania kowalencyjnego utworzonego między O-H. Jednak nawet to słabe wiązanie jest wystarczająco silne, aby wytrzymać niewielkie wahania temperatury.
Ale atomy są już związane
Jak wodór może być przyciągany do innego atomu, gdy jest już związany? W wiązanie biegunowe, jedna strona wiązania nadal wywiera niewielki ładunek dodatni, podczas gdy druga strona ma niewielki ujemny ładunek elektryczny. Utworzenie wiązania nie neutralizuje elektrycznej natury atomów uczestniczących.
Przykłady wiązań wodorowych
Wiązania wodorowe znajdują się w kwasach nukleinowych między parami zasad i między cząsteczkami wody. Ten rodzaj wiązania tworzy się również między atomami wodoru i węgla różnych cząsteczek chloroformu, między wodorem i azotem atomy sąsiednich cząsteczek amoniaku, między powtarzającymi się podjednostkami w polimerze nylonowym oraz między wodorem i tlenem w acetyloaceton. Wiele cząsteczek organicznych podlega wiązaniom wodorowym. Wiązanie wodorowe:
- Pomóż w wiązaniu czynników transkrypcyjnych z DNA
- Pomaga w wiązaniu antygen-przeciwciało
- Organizuj polipeptydy w struktury drugorzędne, takie jak helisa alfa i arkusz beta
- Trzymaj razem dwie nici DNA
- Wiąż ze sobą czynniki transkrypcyjne
Wiązanie wodoru w wodzie
Chociaż wiązania wodorowe tworzą się między wodorem a dowolnym innym elektroujemnym atomem, wiązania w wodzie są najbardziej wszechobecne (a niektórzy twierdzą, najważniejsze). Wiązania wodorowe powstają między sąsiadującymi cząsteczkami wody, gdy wodór jednego atomu wchodzi między atomy tlenu własnej cząsteczki i wodoru jej sąsiada. Dzieje się tak, ponieważ atom wodoru jest przyciągany zarówno przez swój własny tlen, jak i inne atomy tlenu, które są wystarczająco blisko. Jądro tlenu ma 8 „plusów” ładunków, więc przyciąga elektrony lepiej niż jądro wodoru, z jednym ładunkiem dodatnim. Tak więc sąsiednie cząsteczki tlenu są w stanie przyciągać atomy wodoru z innych cząsteczek, tworząc podstawę do tworzenia wiązania wodorowego.
Całkowita liczba wiązań wodorowych utworzonych między cząsteczkami wody wynosi 4. Każda cząsteczka wody może tworzyć 2 wiązania wodorowe między tlenem i dwoma atomami wodoru w cząsteczce. Dodatkowe dwa wiązania mogą być utworzone między każdym atomem wodoru a atomami tlenu w pobliżu.
Konsekwencją wiązania wodorowego jest to, że wiązania wodorowe mają tendencję do układania się w czworościanie wokół każdej cząsteczki wody, co prowadzi do dobrze znanej struktury krystalicznej płatków śniegu. W wodzie ciekłej odległość między sąsiednimi cząsteczkami jest większa, a energia cząsteczek jest wystarczająco wysoka, aby wiązania wodorowe były często rozciągane i łamane. Jednak nawet cząsteczki ciekłej wody średnio układają się w czworościenny układ. Z powodu wiązania wodorowego struktura ciekłej wody zostaje uporządkowana w niższej temperaturze, znacznie przekraczającej temperaturę innych cieczy. Wiązanie wodoru utrzymuje cząsteczki wody około 15% bliżej niż w przypadku braku wiązań. Wiązania są głównym powodem, dla którego woda wykazuje interesujące i niezwykłe właściwości chemiczne.
- Wiązanie wodorowe zmniejsza ekstremalne zmiany temperatury w pobliżu dużych zbiorników wodnych.
- Wiązanie wodorowe umożliwia zwierzętom ochłodzenie się przy użyciu potu, ponieważ tak duża ilość ciepła jest potrzebna do zerwania wiązań wodorowych między cząsteczkami wody.
- Wiązanie wodorowe utrzymuje wodę w stanie ciekłym w szerszym zakresie temperatur niż dla jakiejkolwiek innej porównywalnej wielkości cząsteczki.
- Wiązanie zapewnia wodzie wyjątkowo wysokie ciepło parowania, co oznacza, że do zamiany ciekłej wody w parę wodną potrzebna jest znaczna energia cieplna.
Wiązania wodorowe w obrębie ciężka woda są nawet silniejsze niż te w zwykłej wodzie wytworzonej przy użyciu zwykłego wodoru (protu). Wiązanie wodoru w trytowanej wodzie jest jeszcze silniejsze.