Большинству людей нравится идея ионных и ковалентных связей, но они не уверены, что такое водородные связи, как они образуются и почему они важны.
Ключевые выводы: водородные связи
- Водородная связь - это притяжение между двумя атомами, которые уже участвуют в других химических связях. Одним из атомов является водород, а другим может быть любой электроотрицательный атом, такой как кислород, хлор или фтор.
- Водородные связи могут образовываться между атомами внутри молекулы или между двумя отдельными молекулами.
- Водородная связь слабее, чем ионная связь или ковалентная связь, но сильнее, чем силы Ван-дер-Ваальса.
- Водородные связи играют важную роль в биохимии и производят многие уникальные свойства воды.
Определение водородных связей
Водородная связь представляет собой тип притягивающего (диполь-дипольного) взаимодействия между электроотрицательным атом и водород атом связанный к другому электроотрицательному атому. Эта связь всегда включает атом водорода. Водородные связи может произойти между молекулы или внутри частей одной молекулы.
Водородная связь имеет тенденцию быть сильнее, чем силы Ван-дер-Ваальса, но слабее чем ковалентные связи или ионные связи. Это примерно 1/20 (5%) прочности ковалентной связи, образованной между О-Н. Однако даже эта слабая связь достаточно прочна, чтобы выдерживать небольшие колебания температуры.
Но атомы уже связаны
Как водород может быть привлечен к другому атому, когда он уже связан? В полярная связьодна сторона связи все еще имеет небольшой положительный заряд, а другая сторона имеет небольшой отрицательный электрический заряд. Формирование связи не нейтрализует электрическую природу атомов-участников.
Примеры водородных связей
Водородные связи обнаруживаются в нуклеиновых кислотах между парами оснований и между молекулами воды. Этот тип связи также образуется между атомами водорода и углерода различных молекул хлороформа, между водородом и азотом атомы соседних молекул аммиака, между повторяющимися субъединицами в полимерном нейлоне и между водородом и кислородом в ацетилацетон. Многие органические молекулы подвержены водородным связям. Водородная связь:
- Помогите связать факторы транскрипции с ДНК
- Помощь антиген-антитело связывание
- Организовать полипептиды во вторичные структуры, такие как альфа-спираль и бета-лист
- Держите вместе две нити ДНК
- Связать факторы транскрипции друг с другом
Водородная связь в воде
Хотя водородные связи образуются между водородом и любым другим электроотрицательным атомом, связи в воде являются наиболее распространенными (и некоторые утверждают, что они наиболее важны). Водородные связи образуются между соседними молекулами воды, когда водород одного атома оказывается между атомами кислорода его собственной молекулы и его соседа. Это происходит потому, что атом водорода притягивается как к своему собственному кислороду, так и к другим атомам кислорода, которые достаточно близко сближаются. Ядро кислорода имеет 8 «плюс» зарядов, поэтому оно притягивает электроны лучше, чем ядро водорода, с его единственным положительным зарядом. Таким образом, соседние молекулы кислорода способны привлекать атомы водорода от других молекул, образуя основу образования водородных связей.
Общее количество водородных связей, образованных между молекулами воды, составляет 4. Каждая молекула воды может образовывать 2 водородные связи между кислородом и двумя атомами водорода в молекуле. Дополнительные две связи могут быть сформированы между каждым атомом водорода и соседними атомами кислорода.
Следствием водородной связи является то, что водородные связи имеют тенденцию располагаться в тетраэдре вокруг каждой молекулы воды, что приводит к известной кристаллической структуре снежинок. В жидкой воде расстояние между соседними молекулами больше, а энергия молекул достаточно высока, поэтому водородные связи часто растягиваются и разрушаются. Однако даже молекулы жидкой воды усредняются до тетраэдрического расположения. Из-за водородных связей структура жидкой воды становится упорядоченной при более низкой температуре, намного превышающей структуру других жидкостей. Водородная связь удерживает молекулы воды примерно на 15% ближе, чем если бы связей не было. Связи являются основной причиной, по которой вода проявляет интересные и необычные химические свойства.
- Водородная связь уменьшает экстремальные температурные сдвиги вблизи больших водоемов.
- Водородная связь позволяет животным охлаждаться с помощью пота, потому что для разрыва водородных связей между молекулами воды требуется такое большое количество тепла.
- Водородная связь удерживает воду в жидком состоянии в более широком температурном диапазоне, чем для любой другой молекулы сопоставимого размера.
- Связывание дает воде исключительно высокую температуру испарения, что означает, что для превращения жидкой воды в водяной пар требуется значительная тепловая энергия.
Водородные связи внутри тяжелая вода даже сильнее, чем в обычной воде, изготовленной с использованием нормального водорода (протия). Водородная связь в тритированной воде еще сильнее.