Oppimistavoitteet

  • Määrittele vetysidos.
  • Kuvaile molekyylirakenteita, jotka osallistuvat vetysidoksen muodostumiseen.

Mitä eroa näillä kahdella molekyylillä on?

Karkeana nyrkkisääntönä voidaan pitää sitä, että suuremman molekyylipainon omaavilla materiaaleilla on korkeampi kiehumispiste kuin pienemmän molekyylipainon omaavilla. Suuremman molekyylin siirtämiseen nestetilasta höyrytilaan tarvitaan enemmän energiaa. Ammoniakin kiehumispiste on kuitenkin -33,34 °C ja molekyylipaino 17, kun taas typen (molekyylipaino 28) kiehumispiste on -195,8 °C. Kevyemmällä ammoniakkimolekyylillä täytyy olla muitakin fysikaalisiin ominaisuuksiin vaikuttavia tekijöitä.

Vetysidokset

Vesimolekyylien välinen vetovoima on dipolivuorovaikutus. Vetyatomit ovat sitoutuneet erittäin elektronegatiiviseen happiatomiin (jolla on myös kaksi yksinäistä elektroniparia, mikä tekee siitä hyvin polaarisen sidoksen. Yhden molekyylin osittain positiivinen vetyatomi vetää sitten puoleensa läheisen vesimolekyylin happiatomia (ks. alla oleva kuva ).

Kuva 1. Vetysidos vedessä syntyy yhden vesimolekyylin vetyatomin ja viereisen vesimolekyylin happiatomin yksinäisen elektroniparin välillä.

Vetysidos on molekyylien välinen vetovoima, jossa vetyatomi, joka on kovalenttisesti sitoutunut pieneen, erittäin elektronegatiiviseen atomiin, vetää puoleensa viereisen molekyylin atomin yksinäistä elektroniparia. Vetysidokset ovat hyvin voimakkaita verrattuna muihin dipolivuorovaikutuksiin. Tyypillisen vetysidoksen vahvuus on noin 5 % kovalenttisen sidoksen vahvuudesta.

Vetysidoksia esiintyy vain molekyyleissä, joissa vety on kovalenttisesti sitoutunut johonkin kolmesta alkuaineesta: fluoriin, happiin tai typpeen. Nämä kolme alkuainetta ovat niin elektronegatiivisia, että ne vievät suurimman osan elektronitiheydestä kovalenttisessa sidoksessa vedyn kanssa, jolloin H-atomi jää hyvin elektronivajeiseksi. H-atomi toimii lähes paljaana protonina, jolloin se vetää hyvin puoleensa läheisen atomin yksinäisen elektroniparin elektroneja.

Vedessä tapahtuva vetysidos johtaa joihinkin epätavallisiin, mutta hyvin tärkeisiin ominaisuuksiin. Useimmat molekyyliyhdisteet, joiden massa on veden kaltainen, ovat huoneenlämmössä kaasuja. Vahvojen vetysidosten vuoksi vesimolekyylit pystyvät pysymään tiivistyneinä nestemäisessä tilassa. Alla olevassa kuvassa näkyy, miten taivutettu muoto ja kaksi vetyatomia molekyyliä kohti mahdollistavat sen, että kukin vesimolekyyli pystyy vetysidokseen kahden muun molekyylin kanssa.

Kuvio 2. Vesimolekyylien vetyatomit. Vedessä esiintyy samanaikaisesti useita vetysidoksia, koska sen taivutettu muoto ja kaksi vetyatomia molekyyliä kohti.

Nesteytetyssä tilassa veden vetysidokset voivat katkeilla ja muodostua uudelleen, kun molekyylit virtaavat paikasta toiseen. Kun vettä jäähdytetään, molekyylit alkavat hidastua. Lopulta, kun vesi jäädytetään jääksi, vetysidoksista tulee pysyviä ja ne muodostavat hyvin spesifisen verkoston.

Kuva 3. Kun vesi jäätyy jääksi, vetysidosten verkosto muuttuu pysyväksi. Jokaisella happiatomilla on suunnilleen tetraedrinen geometria – kaksi kovalenttista sidosta ja kaksi vetysidosta.

Molekyylien taivutettu muoto johtaa aukkoihin jään vetysidosverkostossa. Jäällä on se hyvin epätavallinen ominaisuus, että sen kiinteä tila on vähemmän tiheä kuin nestemäinen tila. Jää kelluu nestemäisessä vedessä. Lähes kaikki muut aineet ovat kiinteässä tilassa tiheämpiä kuin nestemäisessä tilassa. Vetysidoksilla on erittäin tärkeä biologinen merkitys proteiinien ja nukleiinihappojen fysikaalisissa rakenteissa.

Yhteenveto

  • Vetysidokset muodostuvat, kun N-, O- tai F-atomiin kiinnittynyt H on vuorovaikutuksessa toisen N-, O- tai F-atomin kanssa.

Harjoitus

Vastaat alla olevan linkin avulla seuraaviin kysymyksiin:

http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/161Ahydrogenbond.html

  1. Mitä ominaisuuksia N:llä ja O:lla on, jotka saavat ne muodostamaan H-sidoksia H:n kanssa?
  2. muodostavatko kaikki H-atomit H-sidoksia?
  3. Mikä on H-sidoksen pituus verrattuna kovalenttisen sidoksen pituuteen?

Katsaus

  1. Miten vahva vetysidos on?
  2. Mitä tapahtuu, kun H on kovalenttisesti sitoutunut N:ään, O:han tai F:ään?
  3. Miten vesimolekyylin muoto vaikuttaa sen ominaisuuksiin?

Sanasto

  • vetysidos: Molekyylien välinen vetovoima, jossa pieneen, erittäin elektronegatiiviseen atomiin kovalenttisesti sitoutunut vetyatomi vetää puoleensa naapurimolekyylin atomin yksinäistä elektroniparia.