Obiettivi di apprendimento

  • Definire il legame a idrogeno.
  • Descrivere le strutture molecolari che partecipano alla formazione del legame a idrogeno.

Qual è la differenza tra queste due molecole?

Una regola generale è che i materiali a più alto peso molecolare hanno punti di ebollizione più alti dei loro omologhi a più basso peso molecolare. È necessaria più energia per spostare la molecola più grande dallo stato liquido a quello di vapore. Tuttavia, l’ammoniaca ha un punto di ebollizione di -33,34°C e un peso molecolare di 17 mentre l’azoto (peso molecolare 28) ha un punto di ebollizione di -195,8°C. La molecola di ammoniaca più leggera deve avere altri fattori che influenzano le sue proprietà fisiche.

Collegamento dell’idrogeno

La forza attrattiva tra le molecole di acqua è un’interazione di dipolo. Gli atomi di idrogeno sono legati all’atomo di ossigeno altamente elettronegativo (che possiede anche due coppie solitarie di elettroni, creando un legame molto polare. L’atomo di idrogeno parzialmente positivo di una molecola è quindi attratto dall’atomo di ossigeno di una molecola d’acqua vicina (vedi figura seguente).

Figura 1. Un legame a idrogeno nell’acqua si verifica tra l’atomo di idrogeno di una molecola d’acqua e la coppia solitaria di elettroni su un atomo di ossigeno di una molecola d’acqua vicina.

Un legame a idrogeno è una forza attrattiva intermolecolare in cui un atomo di idrogeno che è legato covalentemente a un atomo piccolo e altamente elettronegativo è attratto da una coppia solitaria di elettroni su un atomo in una molecola vicina. I legami a idrogeno sono molto forti rispetto ad altre interazioni di dipolo. La forza di un tipico legame a idrogeno è circa il 5% di quella di un legame covalente.

Il legame a idrogeno si verifica solo in molecole dove l’idrogeno è legato covalentemente a uno dei tre elementi: fluoro, ossigeno o azoto. Questi tre elementi sono così elettronegativi che ritirano la maggior parte della densità di elettroni nel legame covalente con l’idrogeno, lasciando l’atomo H molto carente di elettroni. L’atomo H si comporta quasi come un protone nudo, lasciandolo molto attratto dagli elettroni di coppia solitaria su un atomo vicino.

Il legame a idrogeno che si verifica nell’acqua porta ad alcune proprietà insolite, ma molto importanti. La maggior parte dei composti molecolari che hanno una massa simile all’acqua sono gas a temperatura ambiente. A causa dei forti legami a idrogeno, le molecole d’acqua sono in grado di rimanere condensate nello stato liquido. La figura qui sotto mostra come la forma piegata e i due atomi di idrogeno per molecola permettono ad ogni molecola d’acqua di essere in grado di legarsi a idrogeno ad altre due molecole.

Figura 2. Più legami idrogeno si verificano simultaneamente nell’acqua a causa della sua forma piegata e della presenza di due atomi di idrogeno per molecola.

Nello stato liquido, i legami idrogeno dell’acqua possono rompersi e riformarsi mentre le molecole scorrono da un posto all’altro. Quando l’acqua viene raffreddata, le molecole cominciano a rallentare. Alla fine, quando l’acqua viene congelata in ghiaccio, i legami a idrogeno diventano permanenti e formano una rete molto specifica.

Figura 3. Quando l’acqua si congela in ghiaccio, la rete di legami a idrogeno diventa permanente. Ogni atomo di ossigeno ha una geometria approssimativamente tetraedrica – due legami covalenti e due legami a idrogeno.

La forma piegata delle molecole porta a vuoti nella rete di legame a idrogeno del ghiaccio. Il ghiaccio ha la proprietà molto insolita che il suo stato solido è meno denso del suo stato liquido. Il ghiaccio galleggia nell’acqua liquida. Praticamente tutte le altre sostanze sono più dense allo stato solido che allo stato liquido. I legami idrogeno giocano un ruolo biologico molto importante nelle strutture fisiche delle proteine e degli acidi nucleici.

Sommario

  • I legami idrogeno si formano quando un H collegato ad un atomo di N, O, o F interagisce con un altro atomo di N, O, o F.

Pratica

Utilizza il link sottostante per rispondere alle seguenti domande:

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

  1. Quali sono le caratteristiche di N e O che li portano a formare legami H con H?
  2. Tutti gli atomi H formano legami H?
  3. Qual è la lunghezza di un legame H rispetto alla lunghezza di un legame covalente?

Rassegna

  1. Quanto è forte un legame idrogeno?
  2. Cosa succede quando H è legato covalentemente a N, O, o F?
  3. Come la forma della molecola d’acqua influenza le sue proprietà?

Glossario

  • legame idrogeno: Una forza attrattiva intermolecolare in cui un atomo di idrogeno che è legato covalentemente ad un piccolo atomo altamente elettronegativo è attratto da una coppia solitaria di elettroni su un atomo in una molecola vicina.