De fleste er komfortable med ideen om ioniske og kovalente bindinger, men er usikre på hva hydrogenbindinger er, hvordan de dannes og hvorfor de er viktige.
Viktige takeaways: Hydrogen Bonds
- En hydrogenbinding er en attraksjon mellom to atomer som allerede deltar i andre kjemiske bindinger. Det ene atomene er hydrogen, mens det andre kan være et hvilket som helst elektronegativt atom, så som oksygen, klor eller fluor.
- Hydrogenbindinger kan dannes mellom atomer i et molekyl eller mellom to separate molekyler.
- En hydrogenbinding er svakere enn en ionebinding eller en kovalent binding, men sterkere enn van der Waals krefter.
- Hydrogenbindinger spiller en viktig rolle i biokjemi og produserer mange av de unike egenskapene til vann.
Hydrogen Bond Definisjon
En hydrogenbinding er en type attraktiv (dipol-dipol) interaksjon mellom et elektronegativt atom og hydrogen atom limt til et annet elektronegativt atom. Denne bindingen involverer alltid et hydrogenatom. Hydrogenbindinger kan oppstå mellom kl molekyler eller innenfor deler av et enkelt molekyl.
En hydrogenbinding har en tendens til å være sterkere enn van der Waals styrker, men svakere enn kovalente bindinger eller ioniske bindinger. Det er omtrent 1/20 (5%) styrken til den kovalente bindingen som dannes mellom O-H. Selv denne svake bindingen er imidlertid sterk nok til å tåle svak temperatursvingning.
Men atomene er allerede bundet
Hvordan kan hydrogen bli tiltrukket av et annet atom når det allerede er bundet? I en polær binding, den ene siden av bindingen utøver fortsatt en svak positiv ladning, mens den andre siden har en svak negativ elektrisk ladning. Danning av en binding nøytraliserer ikke deltakernes atomenes elektriske natur.
Eksempler på hydrogenbindinger
Hydrogenbindinger finnes i nukleinsyrer mellom basepar og mellom vannmolekyler. Denne typen binding dannes også mellom hydrogen og karbonatomer i forskjellige kloroformmolekyler, mellom hydrogen og nitrogen atomer i nabolandet ammoniakkmolekyler, mellom repeterende underenheter i polymernylon, og mellom hydrogen og oksygen i acetylacetone. Mange organiske molekyler er underlagt hydrogenbindinger. Hydrogenbinding:
- Hjelp til å binde transkripsjonsfaktorer til DNA
- Hjelp antigen-antistoff-binding
- Organiser polypeptider i sekundære strukturer, for eksempel alfa-helix og beta-ark
- Hold de to DNA-strengene sammen
- Bind transkripsjonsfaktorer til hverandre
Hydrogenbinding i vann
Selv om det dannes hydrogenbindinger mellom hydrogen og ethvert annet elektronegativt atom, er bindingene i vannet de mest allestedsnærværende (og noen vil hevde, de viktigste). Hydrogenbindinger dannes mellom nærliggende vannmolekyler når hydrogenet til det ene atomet kommer mellom oksygenatomer i dets eget molekyl og det til naboen. Dette skjer fordi hydrogenatom blir tiltrukket av både sitt eget oksygen og andre oksygenatomer som kommer nær nok. Oksygenkjernen har 8 "pluss" -ladninger, så den tiltrekker seg elektroner bedre enn hydrogenskjernen, med sin eneste positive ladning. Så, nabosyreksygenmolekyler er i stand til å tiltrekke seg hydrogenatomer fra andre molekyler og danne grunnlaget for dannelse av hydrogenbinding.
Det totale antall hydrogenbindinger dannet mellom vannmolekyler er 4. Hvert vannmolekyl kan danne 2 hydrogenbindinger mellom oksygen og de to hydrogenatomene i molekylet. Ytterligere to bindinger kan dannes mellom hvert hydrogenatom og nærliggende oksygenatomer.
En konsekvens av hydrogenbinding er at hydrogenbindinger har en tendens til å anordne seg i en tetraeder rundt hvert vannmolekyl, noe som fører til den velkjente krystallstrukturen til snøfnugg. I flytende vann er avstanden mellom tilstøtende molekyler større og energien til molekylene er høy nok til at hydrogenbindinger ofte blir strukket og brutt. Selv flytende vannmolekyler er imidlertid gjennomsnittet av et tetraedralt arrangement. På grunn av hydrogenbinding ordnes strukturen til flytende vann ved lavere temperatur, langt utover strukturen til andre væsker. Hydrogenbinding holder vannmolekyler omtrent 15% nærmere enn hvis bindingene ikke var til stede. Bindingene er den viktigste grunnen til at vann viser interessante og uvanlige kjemiske egenskaper.
- Hydrogenbinding reduserer ekstreme temperaturforskyvninger i nærheten av store vannmasser.
- Hydrogenbinding gjør at dyr kan avkjøle seg ved hjelp av svette fordi en så stor mengde varme er nødvendig for å bryte hydrogenbindinger mellom vannmolekyler.
- Hydrogenbinding holder vann i flytende tilstand over et større temperaturområde enn for noe annet molekyl med sammenlignbar størrelse.
- Bindingen gir vann en usedvanlig høy fordampningsvarme, noe som betyr at betydelig termisk energi er nødvendig for å endre flytende vann til vanndamp.
Hydrogenbindinger innenfor tungt vann er enda sterkere enn de i vanlig vann laget med normalt hydrogen (protium). Hydrogenbinding i tritiert vann er fortsatt sterkere.