Chemia dla niespecjalistów

Cele nauczania

• Zdefiniuj wiązanie wodorowe.
• Opisz struktury molekularne, które będą uczestniczyć w tworzeniu wiązania wodorowego.

Jaka jest różnica między tymi dwoma cząsteczkami?

Przybliżona zasada mówi, że materiały o wyższej masie cząsteczkowej mają wyższe punkty wrzenia niż ich odpowiedniki o niższej masie cząsteczkowej. Więcej energii jest potrzebne, aby przenieść większą cząsteczkę ze stanu ciekłego do stanu pary. Jednak amoniak ma temperaturę wrzenia -33.34°C i masę cząsteczkową 17, podczas gdy azot (masa cząsteczkowa 28) ma temperaturę wrzenia -195.8°C. Lżejsza cząsteczka amoniaku musi mieć inne czynniki, które wpływają na jej właściwości fizyczne.

Rysunek 1. Wiązanie wodorowe w wodzie występuje pomiędzy atomem wodoru jednej cząsteczki wody i samotną parą elektronów na atomie tlenu sąsiedniej cząsteczki wody.

Wiązanie wodorowe jest międzycząsteczkową siłą przyciągającą, w której atom wodoru, który jest kowalencyjnie związany z małym, wysoce elektronegatywnym atomem, jest przyciągany do samotnej pary elektronów na atomie w sąsiedniej cząsteczce. Wiązania wodorowe są bardzo silne w porównaniu do innych oddziaływań dipolowych. Siła typowego wiązania wodorowego wynosi około 5% siły wiązania kowalencyjnego.

Wiązanie wodorowe występuje tylko w cząsteczkach, w których wodór jest kowalencyjnie związany z jednym z trzech elementów: fluorem, tlenem lub azotem. Te trzy elementy są tak elektronegatywne, że wycofują większość gęstości elektronowej w wiązaniu kowalencyjnym z wodorem, pozostawiając atom H bardzo pozbawiony elektronów. Atom H prawie działa jako goły proton, pozostawiając go bardzo przyciąga do samotnej pary elektronów na pobliskim atomie.

Wiązanie wodorowe, które występuje w wodzie prowadzi do niektórych niezwykłych, ale bardzo ważne właściwości. Większość związków molekularnych, które mają masę podobną do wody są gazami w temperaturze pokojowej. Ze względu na silne wiązania wodorowe, cząsteczki wody są w stanie pozostać skondensowane w stanie ciekłym. Poniższy rysunek pokazuje, jak wygięty kształt i dwa atomy wodoru na cząsteczkę pozwalają każdej cząsteczce wody być w stanie wiązać wodór z dwoma innymi cząsteczkami.

Rysunek 2. Wielokrotne wiązania wodorowe występują jednocześnie w wodzie ze względu na jej wygięty kształt i obecność dwóch atomów wodoru na cząsteczkę.

W stanie ciekłym wiązania wodorowe wody mogą pękać i reformować się, gdy cząsteczki przepływają z jednego miejsca do drugiego. Kiedy woda jest schładzana, cząsteczki zaczynają zwalniać. Ostatecznie, gdy woda zamarza do postaci lodu, wiązania wodorowe stają się trwałe i tworzą bardzo specyficzną sieć.

Rysunek 3. Gdy woda zamarza do postaci lodu, sieć wiązań wodorowych staje się trwała. Każdy atom tlenu ma geometrię w przybliżeniu tetraedryczną – dwa wiązania kowalencyjne i dwa wiązania wodorowe.

Zagięty kształt cząsteczek prowadzi do powstawania luk w sieci wiązań wodorowych lodu. Lód ma bardzo niezwykłą właściwość, że jego stan stały jest mniej gęsty niż stan ciekły. Lód pływa w ciekłej wodzie. Praktycznie wszystkie inne substancje są gęstsze w stanie stałym niż w stanie ciekłym. Wiązania wodorowe odgrywają bardzo ważną rolę biologiczną w fizycznych strukturach białek i kwasów nukleinowych.

Podsumowanie

• Wiązania wodorowe tworzą się, gdy H dołączony do atomu N, O lub F oddziałuje z innym atomem N, O lub F.

Praktyka

Korzystaj z poniższego linku, aby odpowiedzieć na następujące pytania:

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

1. Jakie cechy N i O powodują, że tworzą one wtedy wiązania z H?
2. Czy wszystkie atomy H tworzą wiązania H?
3. Jaka jest długość wiązania H w porównaniu z długością wiązania kowalencyjnego?

Review

1. Jak silne jest wiązanie wodorowe?
2. Co się dzieje, gdy H jest kowalencyjnie połączony z N, O lub F?
3. Jak kształt cząsteczki wody wpływa na jej właściwości?

Słowniczek

• Wiązanie wodorowe: Międzycząsteczkowa siła przyciągania, w której atom wodoru, który jest kowalencyjnie związany z małym, wysoce elektronegatywnym atomem, jest przyciągany do samotnej pary elektronów na atomie w sąsiedniej cząsteczce.

.