Ορισμός δεσμού υδρογόνου και παραδείγματα

Ορισμός δεσμού υδρογόνου

Ένας δεσμός υδρογόνου είναι μια ελκυστική αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου μεταξύ ενός μερικώς θετικού φορτισμένου ατόμου υδρογόνου σε ένα μόριο και ενός μερικώς αρνητικού φορτισμένου ατόμου στο ίδιο ή διαφορετικό μόριο. Όπως υποδηλώνει το όνομα, ένας δεσμός υδρογόνου περιλαμβάνει πάντα ένα άτομο υδρογόνου, αλλά το άλλο άτομο μπορεί να είναι οποιοδήποτε πιο ηλεκτραρνητικό στοιχείο. Οι περισσότεροι δεσμοί υδρογόνου σχηματίζονται μεταξύ υδρογόνου (Η) και οξυγόνου (Ο), φθορίου (F) ή αζώτου (Ν).

Απαιτήσεις

Ο δεσμός υδρογόνου φαίνεται αντιφατικός, επειδή περιλαμβάνει άτομα που ήδη συμμετέχουν σε χημικούς δεσμούς. Αυτό που πρέπει να καταλάβετε είναι ότι η ύπαρξη δεσμού δεν αλλάζει τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των ατόμων. Οι δεσμοί δεν ακυρώνουν την έλξη τους προς άλλα άτομα. Για να συμβεί δεσμός υδρογόνου, πρέπει να πληρούνται δύο προϋποθέσεις:

1. Το ηλεκτραρνητικό άτομο πρέπει να είναι μικρό. Όσο μικρότερο είναι το μέγεθος του ατόμου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτροστατική του έλξη. Έτσι, το φθόριο είναι καλύτερο στο σχηματισμό δεσμών υδρογόνου από το ιώδιο.
2. Το άτομο υδρογόνου πρέπει να συνδέεται με ένα άκρως ηλεκτραρνητικό άτομο. Όσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτραρνητικότητα, τόσο ισχυρότερη είναι η πόλωση. Έτσι, το υδρογόνο που συνδέεται με το οξυγόνο είναι πιο ικανό να σχηματίσει έναν δεσμό υδρογόνου από το υδρογόνο που είναι συνδεδεμένο με τον άνθρακα.

Ισχύς δεσμού υδρογόνου

Καθώς προχωρούν οι χημικοί δεσμοί, οι δεσμοί υδρογόνου δεν είναι πολύ ισχυροί. Η ενέργεια του δεσμού κυμαίνεται μεταξύ 1 και 40 kcal/mol. Είναι πιο αδύναμοι από τους ομοιοπολικούς δεσμούς (οι οποίοι, με τη σειρά τους, είναι πιο αδύναμοι από τους ιοντικούς δεσμούς). Ένας δεσμός υδρογόνου είναι περίπου το 5% της ισχύος του ομοιοπολικού δεσμού Ο-Η. Οι δεσμοί υδρογόνου είναι ισχυρότεροι από τις δυνάμεις van der Waals.

Τύποι δεσμών υδρογόνου

Οι δύο τύποι δεσμών υδρογόνου είναι οι ενδομοριακοί δεσμοί υδρογόνου και οι διαμοριακοί δεσμοί υδρογόνου.

• Ενδομοριακοί δεσμοί υδρογόνου – Οι ενδομοριακοί δεσμοί υδρογόνου εμφανίζονται μέσα σε ένα μόνο μόριο. Αυτό συμβαίνει όταν δύο λειτουργικές ομάδες σε ένα μόριο είναι διατεταγμένες έτσι ώστε να μπορούν να ελκύουν η μία την άλλη. Ένα παράδειγμα εμφανίζεται στο σαλικυλικό οξύ. Η ομάδα αλκοόλης (-ΟΗ) στον δακτύλιο προσελκύει την ομάδα καρβοξυλικού οξέος (το οξυγόνο με διπλούς δεσμούς). Διαμοριακός δεσμός υδρογόνου εμφανίζεται επίσης μεταξύ ζευγών βάσεων DNA.
• Διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου – Διαμοριακούς δεσμούς υδρογόνου συμβαίνουν μεταξύ ατόμων δύο διαφορετικών μορίων. Αυτό συμβαίνει όταν ένα μόριο περιέχει ένα μερικώς θετικό άτομο υδρογόνου και το άλλο μόριο περιέχει ένα μερικώς αρνητικό άτομο. Αυτός ο τύπος δεσμού συμβαίνει μεταξύ μορίων νερού. Εμφανίζεται επίσης μεταξύ νερού και αλκοολών και αλδεΰδης.

Παραδείγματα δεσμών υδρογόνου

Τόσο τα ανόργανα όσο και τα οργανικά μόρια συμμετέχουν στους δεσμούς υδρογόνου. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα:

• Υδροφθορικό οξύ (HF):Το υδροφθορικό οξύ σχηματίζει αυτό που ονομάζεται συμμετρικός δεσμός υδρογόνου, όπου το πρωτόνιο βρίσκεται στα μισά της απόστασης μεταξύ δύο όμοιων ατόμων. Ένας συμμετρικός δεσμός υδρογόνου είναι ισχυρότερος από τον κανονικό δεσμό υδρογόνου. Είναι συγκρίσιμο με τη δύναμη ενός ομοιοπολικού δεσμού.
• Αμμωνία (NH₃ ):Σχηματίζονται διαμοριακοί δεσμοί υδρογόνου μεταξύ υδρογόνου ενός μορίου και αζώτου ενός άλλου μορίου. Στην περίπτωση της αμμωνίας, ο δεσμός που σχηματίζεται είναι πολύ αδύναμος επειδή κάθε άζωτο έχει ένα μόνο ζεύγος ηλεκτρονίων. Αυτός ο τύπος δεσμού υδρογόνου με άζωτο εμφανίζεται επίσης στη μεθυλαμίνη.
• Ακετυλακετόνη (Γ₅ H₈ O₂ ):Εμφανίζεται ενδομοριακός δεσμός υδρογόνου μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου.
• DNA: Μεταξύ των ζευγών βάσεων σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου. Αυτό δίνει στο DNA το σχήμα της διπλής έλικας και καθιστά δυνατή την αντιγραφή των κλώνων, καθώς «αποσυνδέονται» κατά μήκος των δεσμών υδρογόνου.
• Νάιλον: Εντοπίζονται δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των επαναλαμβανόμενων μονάδων του πολυμερούς.
• Πρωτεΐνες: Οι ενδομοριακοί δεσμοί υδρογόνου έχουν ως αποτέλεσμα την αναδίπλωση πρωτεΐνης, η οποία βοηθά το μόριο να διατηρήσει τη σταθερότητα και να αποκτήσει μια λειτουργική διαμόρφωση.
• Πολυμερή: Τα πολυμερή που περιέχουν ομάδες καρβονυλίου ή αμιδίου σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου. Παραδείγματα περιλαμβάνουν ουρία και πολυουρεθάνη και το φυσικό πολυμερές κυτταρίνη. Ο δεσμός υδρογόνου σε αυτά τα μόρια αυξάνει την αντοχή σε εφελκυσμό και το σημείο τήξης τους.
• Οινόπνευμα: Η αιθανόλη και άλλες αλκοόλες περιέχουν δεσμούς υδρογόνου μεταξύ υδρογόνου και οξυγόνου.
• Χλωροφόρμιο (CHCl₃ ):Ο δεσμός υδρογόνου συμβαίνει μεταξύ υδρογόνου ενός μορίου και χλωρίου ενός άλλου μορίου.

Σημασία του δεσμού υδρογόνου

Ο δεσμός υδρογόνου είναι κρίσιμος για τη ζωή στη Γη. Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού βοηθούν στη διατήρηση μιας σταθερής θερμοκρασίας κοντά σε μεγάλα σώματα νερού, επιτρέπουν στους ανθρώπους να κρυώσουν μέσω της εφίδρωσης και κάνουν τον πάγο να επιπλέει. Οι δεσμοί είναι κρίσιμοι για τα βιομόρια, όπως το DNA, η κυτταρίνη και οι πρωτεΐνες. Οι δεσμοί υδρογόνου είναι το κλειδί για το σχεδιασμό του φαρμάκου.

Ενδιαφέρουσες επιδράσεις των δεσμών υδρογόνου

Ο δεσμός υδρογόνου έχει ως αποτέλεσμα μερικά ενδιαφέροντα και ασυνήθιστα αποτελέσματα.

• Σημείο τήξης και βρασμού – Συνήθως, ουσίες παρόμοιου μοριακού βάρους έχουν παρόμοια σημεία τήξης και βρασμού. Όμως, οι αλκοόλες έχουν πολύ υψηλότερα σημεία βρασμού από τους αιθέρες συγκρίσιμου μοριακού βάρους. Ο δεσμός υδρογόνου στην αλκοόλη αυξάνει το σημείο βρασμού επειδή απαιτείται επιπλέον ενέργεια για να σπάσουν οι δεσμοί υδρογόνου και να επιτραπεί ο βρασμός.
• Μεταβλητότητα – Τα μόρια που παρουσιάζουν δεσμούς υδρογόνου έχουν υψηλότερα σημεία βρασμού, επομένως είναι λιγότερο πτητικά.
• Διαλυτότητα – Ο δεσμός υδρογόνου εξηγεί γιατί οι αλκοόλες είναι διαλυτές στο νερό, αλλά τα αλκάνια όχι. Ο διαμοριακός δεσμός υδρογόνου στις αλκοόλες τους επιτρέπει επίσης να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με το νερό. Τα μη πολικά αλκάνια δεν μπορούν να σχηματίσουν αυτούς τους δεσμούς. Ωστόσο, η αύξηση του μήκους της ανθρακικής αλυσίδας στις αλκοόλες μειώνει τη διαλυτότητά τους επειδή η αλυσίδα παρεμποδίζει το σχηματισμό δεσμού υδρογόνου.
• Vιξώδες και επιφανειακή τάση – Ο δεσμός υδρογόνου μειώνει την ικανότητα ροής ενός επηρεαζόμενου μορίου, επομένως έχει υψηλότερο ιξώδες και επιφανειακή τάση.
• Χαμηλότερη πυκνότητα πάγου από το νερό – Ο δεσμός υδρογόνου παράγει μια δομή που μοιάζει με κλουβί στον πάγο. Αντίθετα, το υγρό νερό δεν είναι τόσο στενά συσκευασμένο. Έτσι, ο πάγος έχει μικρότερη πυκνότητα από το νερό και επιπλέει.
• Ανωμαλίες αλλαγής φάσης – Ο δεσμός υδρογόνου προκαλεί ορισμένες ενώσεις να είναι υγρές σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, στη συνέχεια στερεές καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία και στη συνέχεια υγρό μετά από μια άλλη θερμοκρασία.
• Deliquescence – Το υδροξείδιο του νατρίου (NaOH) εμφανίζει υγρότητα εν μέρει επειδή το ΟΗ αντιδρά με την υγρασία του αέρα για να σχηματίσει ένα είδος δεσμευμένο με υδρογόνο. Μια παρόμοια διαδικασία συμβαίνει με ορισμένα άλλα μόρια.
• Αυτοθεραπευόμενα πολυμερή – Το έξυπνο καουτσούκ και άλλα αυτοθεραπευόμενα πολυμερή χρησιμοποιούν δεσμούς υδρογόνου για να «θεραπεύσουν» όταν σχιστούν.

Δεσμοί υδρογόνου βαρέος νερού

Οι δεσμοί υδρογόνου με το βαρύ νερό (όπου το ισότοπο του υδρογόνου είναι το δευτέριο) είναι ακόμη ισχυρότεροι από αυτούς με το κανονικό νερό (όπου το ισότοπο του υδρογόνου είναι το τρίτιο). Οι δεσμοί υδρογόνου που περιλαμβάνουν τριτιωμένο νερό είναι ακόμη ισχυρότεροι.

Αναφορές

• IUPAC (1997). "Δεσμός υδρογόνου". Σύνοψη Χημικής Ορολογίας (2η έκδ.) (το «Χρυσό Βιβλίο»). Επιστημονικές Εκδόσεις Blackwell:Οξφόρδη. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook
• Jeffrey, G. A.; Saenger, W. (2012). Δεσμός υδρογόνου σε βιολογικές δομές . Springer:Βερολίνο. ISBN:3540579036.
• Sweetman, A. M.; Jarvis, S. Ρ.; Sang, Hongqian; Λέκκας, Ι.; Rahe, Ρ.; Wang, Yu; Wang, Jianbo; Champness, N.R.; Kantorovich, L.; Moriarty, P. (2014). «Χαρτογράφηση του πεδίου δύναμης ενός συγκροτήματος με δεσμούς υδρογόνου». Επικοινωνίες για τη φύση . 5 :3931. doi:10.1038/ncomms4931
• Weinhold, Frank; Klein, Roger A. (2014). «Τι είναι ο δεσμός υδρογόνου; Ομοπολικότητα συντονισμού στον υπερμοριακό τομέα». Έρευνα και πρακτική στην εκπαίδευση στη Χημεία . 15 :276–285. doi:10.1039/c4rp00030g