Čo spôsobuje vodíkovú väzbu?

Ako fungujú vodíkové väzby

LAGUNA DESIGN/Science Photo Library/Getty Images

K vodíkovej väzbe dochádza medzi a vodík atóm a an elektronegatívny atóm (napr. kyslík, fluór, chlór). Väzba je slabšia ako iónová alebo kovalentná, ale silnejšia ako van der Waalsove sily (5 až 30 kJ/mol). Vodíková väzba je klasifikovaná ako typ slabej chemickej väzby.

Prečo vznikajú vodíkové väzby

Dôvod vodíkové väzby dochádza k tomu, že elektrón nie je rovnomerne rozdelený medzi atóm vodíka a záporne nabitý atóm. Vodík vo väzbe má stále iba jeden elektrón, zatiaľ čo na stabilný elektrónový pár sú potrebné dva elektróny. Výsledkom je, že atóm vodíka nesie slabý kladný náboj, takže zostáva priťahovaný atómami, ktoré stále nesú záporný náboj. Z tohto dôvodu sa vodíkové väzby nevyskytujú v molekulách s nepolárnymi kovalentnými väzbami. Každá zlúčenina s polárnymi kovalentnými väzbami má potenciál vytvárať vodíkové väzby.

Príklady vodíkových väzieb

Vodíkové väzby sa môžu vytvárať v molekule alebo medzi atómami v rôznych molekulách. Hoci na vodíkové väzby nie je potrebná organická molekula, tento jav je mimoriadne dôležitý v biologických systémoch. Príklady vodíkových väzieb zahŕňajú:

• medzi dvoma molekulami vody
• držiac dve vlákna DNA pohromade, aby vytvorili dvojitú špirálu
• spevňujúce polyméry (napr. opakujúca sa jednotka, ktorá pomáha kryštalizovať nylon)
• tvoriace sekundárne štruktúry v proteínoch, ako je alfa helix a beta skladaný list
• medzi vláknami v tkanine, čo môže mať za následok tvorba vrások
• medzi antigénom a protilátkou
• medzi enzýmom a substrátom
• väzba transkripčných faktorov na DNA

Vodíková väzba a voda

Vodíkové väzby sú zodpovedné za niektoré dôležité vlastnosti vody. Aj keď je vodíková väzba len o 5% taká silná ako kovalentná väzba, na stabilizáciu molekúl vody to stačí.

• Vodíková väzba spôsobuje, že voda zostáva tekutá v širokom rozsahu teplôt.
• Pretože na prerušenie vodíkových väzieb je potrebná dodatočná energia, voda má nezvyčajne vysoké výparné teplo. Voda má oveľa vyššiu teplotu varu ako iné hydridy.

Účinky vodíkových väzieb medzi molekulami vody majú mnoho dôležitých dôsledkov:

• Vďaka vodíkovej väzbe je ľad menej hustý ako tekutá voda ľad pláva na vode .
• Vplyv vodíkovej väzby na teplo odparovania pomáha urobiť z potu účinný prostriedok na zníženie teploty pre zvieratá.
• Vplyv na tepelnú kapacitu znamená, že voda chráni pred extrémnymi teplotnými posunmi v blízkosti veľkých vodných plôch alebo vlhkého prostredia. Voda pomáha regulovať teplotu v globálnom meradle.

Pevnosť vodíkových väzieb

Vodíková väzba je najvýznamnejšia medzi vodíkom a vysoko elektronegatívnymi atómami. Dĺžka chemickej väzby závisí od jej sily, tlaku a teploty. Väzbový uhol závisí od špecifických chemických druhov zahrnutých vo väzbe. Sila vodíkových väzieb sa pohybuje od veľmi slabých (1–2 kJ mol−1) po veľmi silné (161,5 kJ mol−1). Nejaký príklad entalpie v pare sú:

F−H…:F (161,5 kJ/mol alebo 38,6 kcal/mol)
O−H…:N (29 kJ/mol alebo 6,9 kcal/mol)
O−H…:O (21 kJ/mol alebo 5,0 kcal/mol)
N-H…:N (13 kJ/mol alebo 3,1 kcal/mol)
N-H…:O (8 kJ/mol alebo 1,9 kcal/mol)
HO – H…: OH₃⁺(18 kJ/mol alebo 4,3 kcal/mol)

_Referencie

_{Larson, J. W.; McMahon, T. B. (1984). „Bihalogenidové a pseudobihalogenidové ióny v plynnej fáze. Iónové cyklotrónové rezonančné stanovenie energií vodíkových väzieb v druhoch XHY (X, Y = F, Cl, Br, CN)'. Anorganická chémia 23 (14): 2029–2033.}

_{Emsley, J. (1980). „Veľmi silné vodíkové väzby“. Chemical Society Reviews 9 (1): 91–124.
Omer Markovitch a Noam Agmon (2007). „Štruktúra a energetika hydratačných obalov hydrónia“. J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253–2256.}