Wiązanie wodorowe | Wprowadzenie do chemii

Cel nauczania

Opisać właściwości wiązania wodorowego.

Kluczowe punkty

Wiązania wodorowe to silne siły międzycząsteczkowe tworzone, gdy atom wodoru związany z atomem elektronegatywnym zbliża się do pobliskiego atomu elektronegatywnego.
Większa elektroujemność akceptora wiązania wodorowego prowadzi do zwiększenia siły wiązania wodorowego.
Wiązanie wodorowe jest jednym z najsilniejszych oddziaływań międzycząsteczkowych, ale słabszym niż wiązanie kowalencyjne lub jonowe.
Wiązania wodorowe są odpowiedzialne za utrzymywanie razem DNA, białek i innych makrocząsteczek.

Terminy

wiązanie wodorowePrzyciąganie między częściowo dodatnio naładowanym atomem wodoru przyłączonym do atomu o dużej elektroujemności (takiego jak azot, tlen lub fluor) a innym pobliskim atomem o dużej elektroujemności.
elektronegatywnośćTendencja atomu lub cząsteczki do przyciągania elektronów do siebie, tworzenia dipoli, a tym samym tworzenia wiązań.
wewnątrzcząsteczkoweTyp oddziaływania pomiędzy dwoma różnymi cząsteczkami.

Utworzenie wiązania wodorowego

Wiązanie wodorowe jest przyciąganiem elektromagnetycznym utworzonym pomiędzy częściowo dodatnio naładowanym atomem wodoru dołączonym do atomu o wysokim stopniu elektronegatywności i innym pobliskim atomem o wysokim stopniu elektronegatywności. Wiązanie wodorowe jest rodzajem oddziaływania dipol-dipol; nie jest to prawdziwe wiązanie chemiczne. Atrakcje te mogą występować pomiędzy cząsteczkami (międzycząsteczkowo) lub w różnych częściach pojedynczej cząsteczki (wewnątrzcząsteczkowo).

Wiązanie wodorowe w wodzieTo jest wypełniający przestrzeń diagram kulisty oddziaływań pomiędzy oddzielnymi cząsteczkami wody.

Dawca wiązania wodorowego

Dawca wiązania wodorowego to atom wodoru przyłączony do względnie elektronegatywnego atomu. Ten elektronegatywny atom jest zwykle fluorem, tlenem lub azotem. Elektronegatywny atom przyciąga chmurę elektronów z otoczenia jądra wodoru i poprzez decentralizację chmury pozostawia atom wodoru z dodatnim ładunkiem cząstkowym. Ze względu na małe rozmiary wodoru w stosunku do innych atomów i cząsteczek, powstały ładunek, choć tylko częściowy, jest silniejszy. W cząsteczce etanolu jeden atom wodoru jest połączony z atomem tlenu, który jest bardzo elektroujemny. Ten atom wodoru jest donorem wiązania wodorowego.

Akceptor wiązania wodorowego

Wiązanie wodorowe wynika, gdy ten silny częściowy ładunek dodatni przyciąga samotną parę elektronów na innym atomie, który staje się akceptorem wiązania wodorowego. Elektronegatywny atom, taki jak fluor, tlen lub azot jest akceptorem wiązania wodorowego, niezależnie od tego, czy jest on związany z atomem wodoru, czy nie. Większa elektroujemność akceptora wiązania wodorowego spowoduje powstanie silniejszego wiązania wodorowego. Cząsteczka eteru dietylowego zawiera atom tlenu, który nie jest związany z atomem wodoru, co czyni go akceptorem wiązania wodorowego.

Wodorowiec przyłączony do węgla może również uczestniczyć w wiązaniu wodorowym, gdy atom węgla jest związany z atomami elektronegatywnymi, jak to ma miejsce w przypadku chloroformu (CHCl3). Podobnie jak w cząsteczce, w której wodór jest związany z azotem, tlenem lub fluorem, atom elektronegatywny przyciąga chmurę elektronów z otoczenia jądra wodoru i decentralizując chmurę, pozostawia atom wodoru z dodatnim ładunkiem cząstkowym.

Interaktywnie: Wiązanie wodorowePoznaj wiązania wodorowe tworzące się pomiędzy polarnymi cząsteczkami, takimi jak woda. Wiązania wodorowe są pokazane liniami przerywanymi. Pokaż ładunki częściowe i uruchom model. Gdzie tworzą się wiązania wodorowe? Spróbuj zmienić temperaturę modelu. Jak wzór wiązania wodorowego wyjaśnia siatkę, z której zbudowane są kryształy lodu?

Zastosowania wiązań wodorowych

Wiązania wodorowe występują w cząsteczkach nieorganicznych, takich jak woda, i organicznych, takich jak DNA i białka. Dwie komplementarne nici DNA są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe między komplementarnymi nukleotydami (A&T, C&G). Wiązanie wodorowe w wodzie przyczynia się do jej unikalnych właściwości, w tym wysokiej temperatury wrzenia (100 °C) i napięcia powierzchniowego.

Krople wody na liściuWiązania wodorowe utworzone między cząsteczkami wody w kroplach wody są silniejsze niż inne siły międzycząsteczkowe między cząsteczkami wody a liściem, przyczyniając się do wysokiego napięcia powierzchniowego i wyraźnych kropli wody.

W biologii, wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe jest częściowo odpowiedzialne za drugorzędowe, trzeciorzędowe i czwartorzędowe struktury białek i kwasów nukleinowych. Wiązania wodorowe pomagają białkom i kwasom nukleinowym tworzyć i utrzymywać specyficzne kształty.