Jeżeli spojrzymy na chronologię badań w chemii zdolności atomów różnych pierwiastków do wzajemnego oddziaływania, możemy wyróżnić połowę XIX wieku. Naukowcy zwrócili wówczas uwagę na fakt, że związki wodorowe tlenu, fluoru, azotu charakteryzują się grupą właściwości, które można nazwać anomaliami.
Są to przede wszystkim bardzo wysokie temperatury topnienia i wrzenia np. wody lub fluorowodoru, które są wyższe niż dla innych podobnych związków. Obecnie już wiadomo, że te cechy tych substancji są zdeterminowane właściwością atomów wodoru do tworzenia niezwykłego typu wiązania z atomami pierwiastków o wysokim wskaźniku elektroujemności. Nazywali to wodorem. Właściwości wiązania, specyfika jego powstawania oraz przykłady związków go zawierających to główne punkty, na których skupimy się w naszym artykule.
Powód połączenia
Działanie sił przyciągania elektrostatycznego jestfizyczna podstawa pojawienia się większości rodzajów wiązań chemicznych. Dobrze znane są rodzaje wiązań chemicznych, które powstały w wyniku oddziaływania przeciwnie naładowanych jąder atomowych jednego pierwiastka i elektronów drugiego. Są to wiązania kowalencyjne niepolarne i polarne, charakterystyczne dla prostych i złożonych związków pierwiastków niemetalicznych.
Na przykład pomiędzy atomem fluoru, który ma najwyższą elektroujemność, a elektronicznie neutralną cząstką wodoru, którego chmura jednoelektronowa początkowo należała tylko do atomu H, następuje przesunięcie w gęstości naładowanej ujemnie. Teraz sam atom wodoru można słusznie nazwać protonem. Co dalej?
Interakcja elektrostatyczna
Chmura elektronowa atomu wodoru prawie całkowicie przechodzi w kierunku cząsteczki fluoru i otrzymuje nadmiar ładunku ujemnego. Pomiędzy nagim, czyli pozbawionym ujemnej gęstości atomem wodoru - protonem, a jonem F- sąsiedniej cząsteczki fluorowodoru manifestuje się siła przyciągania elektrostatycznego. Prowadzi to do pojawienia się międzycząsteczkowych wiązań wodorowych. Ze względu na jego występowanie, kilka cząsteczek HF może jednocześnie tworzyć stabilne asocjacje.
Głównym warunkiem powstania wiązania wodorowego jest obecność atomu pierwiastka chemicznego o wysokiej elektroujemności i oddziałującego z nim protonu wodorowego. Ten rodzaj interakcji jest najbardziej wyraźny w związkach tlenu i fluoru (woda, fluorowodór), mniej w substancjach zawierających azot, takich jak amoniak, a jeszcze mniej w związkach siarki i chloru. Przykłady wiązań wodorowych utworzonych między cząsteczkami można znaleźć również w substancjach organicznych.
Tak więc w alkoholach między atomami tlenu i wodoru w funkcjonalnych grupach hydroksylowych powstają również siły przyciągania elektrostatycznego. Dlatego już pierwsi przedstawiciele serii homologicznej - metanol i alkohol etylowy - są cieczami, a nie gazami, podobnie jak inne substancje o tym składzie i masie cząsteczkowej.
Charakterystyka energetyczna komunikacji
Porównajmy intensywność energii wiązań kowalencyjnych (40–100 kcal/mol) i wodorowych. Poniższe przykłady potwierdzają następujące stwierdzenie: typ wodoru zawiera tylko 2 kcal/mol (pomiędzy dimerami amoniaku) do 10 kcal/mol energii w związkach fluoru. Okazuje się jednak, że wystarczy, aby cząsteczki niektórych substancji potrafiły wiązać się w asocjaty: dimery, tetra- i polimery - grupy składające się z wielu cząsteczek.
Są one nie tylko w fazie ciekłej związku, ale mogą być konserwowane bez rozpadu po przejściu w stan gazowy. Dlatego wiązania wodorowe, które utrzymują cząsteczki w grupach, powodują nienormalnie wysokie temperatury wrzenia i topnienia amoniaku, wody lub fluorowodoru.
Jak łączą się cząsteczki wody
Zarówno substancje nieorganiczne, jak i organiczne mają kilka rodzajów wiązań chemicznych. Wiązanie chemiczne, które powstaje w procesie asocjacji cząstek polarnych ze sobą i nazywane jest wodorem międzycząsteczkowym, może radykalnie zmienić fizykochemicznecharakterystyka połączenia. Udowodnijmy to stwierdzenie, rozważając właściwości wody. Cząsteczki H2O mają postać dipoli - cząstek, których bieguny mają przeciwne ładunki.
Sąsiadujące cząsteczki są przyciągane do siebie przez dodatnio naładowane protony wodoru i ujemne ładunki atomu tlenu. W wyniku tego procesu powstają kompleksy molekularne - asocjaty, co prowadzi do pojawienia się nienormalnie wysokich temperatur wrzenia i topnienia, dużej pojemności cieplnej i przewodności cieplnej związku.
Unikalne właściwości wody
Obecność wiązań wodorowych między cząsteczkami H2O jest odpowiedzialna za wiele jej istotnych właściwości. Woda zapewnia najważniejsze reakcje metaboliczne – hydrolizę węglowodanów, białek i tłuszczów zachodzących w komórce – i jest rozpuszczalnikiem. Taka woda, która jest częścią cytoplazmy lub płynu międzykomórkowego, nazywana jest wolną. Dzięki wiązaniom wodorowym pomiędzy cząsteczkami tworzy wokół białek i glikoprotein otoczki hydratacyjne, które zapobiegają przywieraniu pomiędzy makrocząsteczkami polimeru.
W tym przypadku woda nazywana jest strukturą. Podane przez nas przykłady wiązania wodorowego występującego pomiędzy cząsteczkami H
2O świadczą o jego wiodącej roli w tworzeniu podstawowych właściwości fizycznych i chemicznych substancji organicznych - białek i polisacharydów, w procesach asymilacji i dyssymilacji zachodzących w organizmach żywych układach, a także w zapewnieniu ich bilansu cieplnego.
Wewnątrzcząsteczkowe wiązanie wodorowe
Kwas salicylowy jest jednym z dobrze znanych i od dawna stosowanych leków o działaniu przeciwzapalnym, gojącym rany i przeciwbakteryjnym. Sam kwas, bromopochodne fenolu, organiczne związki kompleksowe są zdolne do tworzenia wewnątrzcząsteczkowego wiązania wodorowego. Poniższe przykłady pokazują mechanizm jej powstawania. Tak więc w przestrzennej konfiguracji cząsteczki kwasu salicylowego możliwe jest zbliżenie atomu tlenu grupy karbonylowej i protonu wodoru rodnika hydroksylowego.
Z powodu większej elektroujemności atomu tlenu, elektron cząsteczki wodoru prawie całkowicie znajduje się pod wpływem jądra tlenu. Wewnątrz cząsteczki kwasu salicylowego powstaje wiązanie wodorowe, które zwiększa kwasowość roztworu w wyniku wzrostu stężenia w nim jonów wodorowych.
Podsumowując, możemy powiedzieć, że ten rodzaj interakcji między atomami objawia się, gdy grupa donorowa (cząstka oddająca elektron) i przyjmująca ją atom akceptora są częścią tej samej cząsteczki.
