رابط بواسطة جسر الهيدروجين: الخصائص ، الارتباط في الماء والحمض النووي
إن ارتباط جسر الهيدروجين هو عامل جذب إلكتروستاتيكي بين مجموعتين قطبيتين يحدث عندما تقوم ذرة الهيدروجين (H) المرتبطة بذرة ذات إلكترون عالي للغاية بجاذبية في الحقل الإلكتروستاتيكي لذرة أخرى قريبة الشحنة إلكترونيًا.
توجد في الفيزياء والكيمياء قوى تولِّد تفاعلًا بين جزيئين أو أكثر ، بما في ذلك قوى الجذب أو التنافر ، والتي يمكن أن تعمل بين هذه الجزيئات وغيرها من الجسيمات القريبة (مثل الذرات والأيونات). وتسمى هذه القوى قوى الجزيئات.
القوى بين الأقطاب أضعف في الطبيعة من تلك التي تربط أجزاء الجزيء من الداخل إلى الخارج (القوى داخل الجزيئات).
هناك أربعة أنواع من قوى الجزيئات الجذابة: قوى ثنائي الأيونات ، قوى ثنائي القطب ، قوى فان دير فالز ورابطات الهيدروجين.
خصائص وصلة جسر الهيدروجين
تكون الرابطة بجسر الهيدروجين بين ذرة "متبرع" (الكهربية التي تحتوي على هيدروجين) و "مستقبلات" (الكهربية بدون هيدروجين).
عادة ما يولد طاقة تتراوح بين 1 إلى 40 كيلو كالوري / مول ، مما يجعل هذا الجذب أقوى بكثير من الذي حدث في تفاعل فان دير فال ، ولكن أضعف من الروابط التساهمية والأيونية.
يحدث عادةً بين جزيئات ذرات مثل النيتروجين (N) ، أو الأكسجين (O) أو الفلور (F) ، على الرغم من أنه يتم ملاحظته أيضًا مع ذرات الكربون (C) عندما يتم ربطها بذرات عالية الكهربية ، كما في حالة الكلوروفورم ( CHCl 3 ).
لماذا يحدث الاتحاد؟
يحدث هذا الاتحاد لأن الهيدروجين (ذرة صغيرة ذات شحنة محايدة عادةً) يعلق على ذرة عالية الكهربية ، يكتسب شحنة موجبة جزئيًا ، مما يجعله يبدأ في جذب ذرات أخرى كهربيًا نحو نفسه.
من هذا ينشأ اتحاد ، على الرغم من أنه لا يمكن تصنيفها على أنها تساهمية تمامًا ، إلا أنه يربط الهيدروجين والذرة الكهربية به مع هذه الذرة الأخرى.
وقد لوحظت الأدلة الأولى على وجود هذه الروابط من خلال دراسة تقيس نقاط الغليان. وقد لوحظ أنه لم يتم زيادة كل هذه العناصر وفقًا للوزن الجزيئي ، كما هو متوقع ، ولكن كان هناك بعض المركبات التي تتطلب درجة حرارة أعلى حتى تغلي أكثر من المتوقع.
من هنا ، بدأنا نلاحظ وجود روابط الهيدروجين في جزيئات الكهربية.
طول الرابط
إن أهم ميزة يجب قياسها في رابطة الهيدروجين هي طولها (الأطول والأقل قوة) ، والتي تقاس بالأنجستروم (Å).
بدوره ، يعتمد هذا الطول على قوة الرابطة ودرجة الحرارة والضغط. فيما يلي وصف كيف تؤثر هذه العوامل على قوة رابطة الهيدروجين.
قوة الارتباط
تعتمد قوة الرابطة في حد ذاتها على الضغط ودرجة الحرارة وزاوية الرابطة والبيئة (التي تتميز بعازل عازل محلي).
على سبيل المثال ، بالنسبة لجزيئات الهندسة الخطية ، يكون الاتحاد أضعف لأن الهيدروجين أبعد ما يكون عن ذرة واحدة عن الأخرى ، ولكن في زوايا مغلقة أكثر تنمو هذه القوة.
درجة الحرارة
لقد تم دراسة أن روابط الهيدروجين عرضة للتكوين في درجات حرارة منخفضة ، لأن انخفاض الكثافة وزيادة الحركة الجزيئية في درجات الحرارة المرتفعة يسبب صعوبات في تكوين روابط الهيدروجين.
يمكن كسر الروابط بشكل مؤقت و / أو دائم مع زيادة درجة الحرارة ، ولكن من المهم ملاحظة أن الروابط تجعل المركبات أيضًا تتمتع بمقاومة أكبر للغليان ، كما هو الحال في الماء.
الضغط
كلما زاد الضغط ، زادت قوة رابطة الهيدروجين. يحدث هذا لأنه في ضغوط أعلى ، ستكون ذرات الجزيء (كما في الجليد على سبيل المثال) أكثر إحكاما وهذا سيساعد على أن تكون المسافة بين مكونات الرابط أصغر.
في الواقع ، تكون هذه القيمة خطية تقريبًا عند الدراسة بحثًا عن الجليد في رسم بياني حيث يتم تقدير طول الارتباط الموجود مع الضغط.
ربط بواسطة جسر الهيدروجين في الماء
يعتبر جزيء الماء (H 2 O) حالة مثالية للارتباط بالهيدروجين: كل جزيء يمكن أن يشكل أربع روابط هيدروجينية محتملة مع جزيئات الماء القريبة.
يوجد في كل جزيء الكمية المثالية للهيدروجين الموجب الشحنة وأزواج الإلكترون غير المحصورة ، مما يجعل من الممكن أن يشارك الجميع في تكوين روابط الهيدروجين.
هذا هو السبب في أن الماء لديه نقطة غليان أعلى من الجزيئات الأخرى مثل الأمونيا (NH 3 ) وفلوريد الهيدروجين (HF).
في الحالة الأولى ، تحتوي ذرة النيتروجين فقط على زوج من الإلكترونات الحرة ، وهذا يعني أنه في مجموعة من جزيئات الأمونيا لا توجد أزواج حرة كافية لتلبية احتياجات جميع الهيدروجين.
يقال أنه لكل جزيء من الأمونيا يتم تكوين رابطة واحدة بواسطة جسر هيدروجين وأن ذرات H الأخرى "تضيع".
في حالة الفلوريد ، يوجد عجز في الهيدروجين و "أزواج" الإلكترونات "تضيع". مرة أخرى ، هناك كمية كافية من الهيدروجين وأزواج الإلكترون في الماء ، لذلك يربط هذا النظام معًا تمامًا.
ربط بواسطة جسر الهيدروجين في الحمض النووي والجزيئات الأخرى
في بروتينات وروابط هيدروجين الحمض النووي يمكن أيضًا ملاحظة: في حالة الحمض النووي ، يكون شكل اللولب المزدوج بسبب روابط الهيدروجين بين أزواج القاعدة (الكتل التي تشكل الحلزون) ، والتي تسمح يتم تكرار هذه الجزيئات وهناك حياة كما نعرفها.
في حالة البروتينات ، تشكل الهيدروجين روابط بين الأكسجين والهيدروجين أميد ؛ اعتمادًا على الموضع الذي يحدث فيه ، سيتم تشكيل هياكل البروتين المختلفة الناتجة.
توجد روابط الهيدروجين أيضًا في البوليمرات الطبيعية والاصطناعية وفي الجزيئات العضوية التي تحتوي على النيتروجين ، وما زالت جزيئات أخرى بهذا النوع من الاتحاد تدرس في عالم الكيمياء.
