A legtöbb ember elégedett az ionos és kovalens kötések gondolatával, még nem biztos abban, hogy mi a hidrogénkötések, hogyan alakulnak ki és miért fontosak.
Kulcsfontosságú elvihetőségek: hidrogénkötvények
- A hidrogénkötés vonzerő két atom között, amelyek már részt vesznek más kémiai kötésekben. Az egyik atom hidrogénatom, míg a másik lehet bármilyen elektronegatív atom, például oxigén, klór vagy fluoratom.
- Hidrogénkötések alakulhatnak ki a molekulán belüli atomok vagy két különálló molekula között.
- A hidrogénkötés gyengébb, mint az ionos kötés vagy a kovalens kötés, de erősebb, mint a van der Waals erők.
- A hidrogénkötések fontos szerepet játszanak a biokémiában, és a víz sok egyedi tulajdonságát megteremtik.
Hidrogénkötés meghatározása
A hidrogénkötés az elektronegatív elemek közötti vonzó (dipol-dipól) kölcsönhatás egy típusa atom és a hidrogén atom ragasztott egy másik elektronegatív atomra. Ez a kötés mindig hidrogénatomot tartalmaz. Hidrogénkötések között előfordulhat molekulák vagy egyetlen molekula részein belül.
A hidrogénkötés általában erősebb, mint van der Waals erők, de gyengébb, mint kovalens kötések vagy ionos kötések. Ez körülbelül 1/20 (5%) az O-H között képződött kovalens kötés szilárdságán. Ugyanakkor még ez a gyenge kötés is elég erős ahhoz, hogy ellenálljon a kis hőmérsékleti ingadozásoknak.
De az atomok már kötöttek
Hogyan vonzhatja a hidrogént egy másik atom, ha már hozzá van kötve? A poláris kötés, a kötés egyik oldala továbbra is enyhe pozitív töltést mutat, míg a másik oldal kissé negatív elektromos töltéssel rendelkezik. A kötés kialakulása nem semlegesíti a résztvevő atomok elektromos természetét.
Példák hidrogénkötésekre
A hidrogénkötések megtalálhatók a nukleinsavakban az alappárok és a vízmolekulák között. Az ilyen típusú kötés a kloroformmolekulák hidrogén- és szénatomjai, a hidrogén és a nitrogén között is kialakulhat szomszédos ammóniamolekulák atomjai, a polimer nejlon ismétlődő alegységei, valamint a hidrogén és az oxigén között acetil-aceton. Számos szerves molekula hidrogénkötéseknek van kitéve. Hidrogén kötés:
- Segítsen kötődni a transzkripciós faktorokhoz a DNS-hez
- Segíti az antigén-antitest kötődését
- Szervezze a polipeptideket szekunder struktúrákba, például alfa-hélixre és béta-lemezre
- Tartsa együtt a DNS két szálát
- Kösse össze a transzkripciós faktorokat egymással
Hidrogénkötés a vízben
Noha a hidrogénkötések a hidrogén és más elektronegatív atomok között alakulnak ki, a vízben levő kötések a legszélesebb körben jelennek meg (és néhányan szerintük a legfontosabb). Hidrogénkötések alakulnak ki a szomszédos vízmolekulák között, amikor egy atom hidrogénje a saját molekula és a szomszédja oxigénatomjai közé kerül. Ez azért történik, mert a hidrogénatomot vonzza mind a saját oxigénje, mind más olyan oxigénatomok, amelyek elég közel állnak egymáshoz. Az oxigénmag 8 "plusz" töltéssel rendelkezik, tehát az egyetlen pozitív töltésével jobban vonzza az elektronokat, mint a hidrogénmag. Tehát a szomszédos oxigénmolekulák képesek vonni a hidrogénatomokat más molekulákból, és ezek képezik a hidrogénkötés kialakulásának alapját.
A vízmolekulák között képződött hidrogénkötések száma 4. Minden vízmolekula 2 hidrogénkötést képezhet az oxigén és a molekula két hidrogénatomja között. További két kötést lehet kialakítani az egyes hidrogénatomok és a közeli oxigénatomok között.
A hidrogénkötés következménye, hogy a hidrogénkötések hajlamosak egy tetraéderben elhelyezkedni az egyes vízmolekulák körül, ami a hópelyhek jól ismert kristályszerkezetéhez vezet. Folyékony vízben a szomszédos molekulák közötti távolság nagyobb, és a molekulák energiája elég nagy ahhoz, hogy a hidrogénkötések gyakran feszültek és megszakadjanak. Ugyanakkor még a folyékony vízmolekulák átlagosan egy tetraéderes elrendezést mutatnak. A hidrogénkötés miatt a folyékony víz szerkezete alacsonyabb hőmérsékleten rendeződik, messze meghaladja a többi folyadék szerkezetét. A hidrogénkötés kb. 15% -kal közelebb tartja a vízmolekulákat, mint ha a kötések nem lennének jelen. A kötések az elsődleges oka annak, hogy a víz érdekes és szokatlan kémiai tulajdonságokkal rendelkezik.
- A hidrogénkötés csökkenti a szélsőséges hőmérsékleti eltolódásokat nagy víztestek közelében.
- A hidrogénkötés lehetővé teszi az állatoknak, hogy izzadtsággal lehűljenek, mivel ilyen nagy mennyiségű hőre van szükség a vízmolekulák közötti hidrogénkötések megszakításához.
- A hidrogénkötés szélesebb hőmérsékleti tartományban tartja a vizet folyékony állapotában, mint bármely más hasonló méretű molekula esetében.
- A kötés rendkívül magas párolgási hőt ad a víznek, ami azt jelenti, hogy jelentős hőenergiára van szükség ahhoz, hogy a folyékony víz vízgőzzé váljon.
Hidrogénkötések belül nehézvíz még erősebbek, mint a normál hidrogénből (protium) készült vízben. A tritírozott vízben a hidrogénkötés még erősebb.