Przeczytaj
Czego dotyczą pytania we wprowadzeniu? Wiązania wodorowego – czyli oddziaływania międzycząsteczkowego, które zachodzi pomiędzy atomem wodoru o cząstkowym ładunku dodatnim a wolną parą elektronową silnie elektroujemnych atomów, takich jak azot, tlen czy fluor, które charakteryzują się małym promieniem atomowym. Mogą one występować pomiędzy cząsteczkami związków tego samego rodzaju, jak i różnych. Oznacza się je kropkami i są znacznie dłuższe (mogą osiągać nawet ) niż typowe wiązanie kowalencyjne (ok ).
Jak powstaje takie wiązanie?
W cząsteczkach wody , posiadających wiązanie kowalencyjne spolaryzowanewiązanie kowalencyjne spolaryzowane, silnie elektroujemny atom tlenu powoduje wytworzenie cząstkowego ładunku dodatniego na atomie wodoru. Dodatnio naładowany atom wodoru jest silnie przyciągany przez wolne pary elektronowe na atomach tlenu w sąsiednich cząsteczkach wody, w skutek czego tworzy się wiązanie wodorowe. Siła takiego wiązania jest największa wówczas, gdy znajduje się ono na linii prostej łączącej dwa atomy tlenu (w sąsiednich cząsteczkach). Wiązania te wpływają na specyficzne właściwości wody, które warunkują istnienie życia na Ziemi: wysoką temperaturę topnienia i wrzenia (wyższą, niż wskazuje masa molowa), mniejszą gęstość lodu od wody oraz dużą pojemność cieplną.
Porównując do innych oddziaływań międzycząsteczkowych, takich jak oddziaływania typu dipol–dipol czy oddziaływania Londona, oddziaływanie to jest najsilniejsze i jego energia mieści się w granicach (choć jest ok. razy słabsze od wiązania kowalencyjnego).
Wiązanie wodorowe powstaje na skutek oddziaływań elektrostatycznych oraz oddziaływań wynikających z przeniesienia ładunku, zwanych charge–transfercharge–transfer. Energia wiązania wodorowego składa się z pięciu składowych: energii oddziaływania elektrostatycznego, energii polaryzacyjnej, energii dyspersji, energii przeniesienia ładunku i energii odpychania. W przypadku silnych wiązań wodorowych, decydujące są oddziaływania elektrostatyczne ( dla wiązania typu ), a w przypadku słabych wiązań główną rolę odgrywają oddziaływania typu charge–transfer. Morokuma i współpracownicy opisali energię tego wiązania wzorem:
gdzie:
– oddziaływanie elektrostatyczne;
– oddziaływanie polaryzacyjne;
– energia wymiany;
– energia przeniesienia ładunku (charge–transfer);
– człon sprzęgający, który stanowi różnicę pomiędzy całkowitą energią oddziaływań wiązań wodorowych a suma czterech wkładów (, , , ).
Tworzenie wiązań wodorowych warunkuje specyficzne właściwości substancji. Dla związków wodoru z pierwiastkami bloku w układzie okresowym pierwiastków temperatury wrzenia wzrastają w grupach wraz ze wzrostem masy molowej. Jednak trzy związki, tj. woda, amoniak i fluorowodór, wykazują pewne anomalie – ich temperatury wrzenia są zdecydowanie wyższe, co świadczy o silnych oddziaływaniach międzycząsteczkowych, których nie obserwuje się dla pozostałych związków.
Wiązania wodorowe są niezwykle ważnymi oddziaływaniami, dzięki którym drzewa rosną pionowo. Oczywiście wynika to przede wszystkim z tego, że kierują się w stronę słońca, ale wiązania wodorowe im to umożliwiają. W jaki sposób? Otóż głównym składnikiem budulcowym drewna jest celuloza. Jest ona liniowym polisacharydem, zbudowanym z cząsteczek –glukopiranozy (), który zawiera liczne grupy . Te cząsteczki oddziałują ze sobą, tworząc wiązania wodorowe i wzmacniając tym samym strukturę drewna, co umożliwia drzewom wzrost w kierunku usytuowanego nad nimi słońca. Właściwość ta wykorzystywana jest również przy produkcji klejów do drewna i papieru, bowiem zawierają one substancje, które umożliwiają tworzenie wiązań wodorowych.
Jakie są rodzaje wiązań wodorowych?
Wyróżnia się dwa typy wiązań wodorowych:
wiązanie pomiędzy dwoma takimi samymi cząsteczkami: stanowi ono symetryczne wiązanie wodorowe, które jest tworzone z atomem wodoru, umieszczonym pomiędzy dwoma takimi samymi atomami () (takiej samej cząsteczki) o tej samej elektroujemności (). Energia potencjalna dla tego typu wiązania przyjmuje postać krzywej () i posiada dwa równoważne minima dla protonu, odseparowane przez płaskie maksimum. Proton zlokalizowany jest w jednym z nich, lecz na skutek dostarczenia energii może zmieniać swoje położenie.
Na skutek zmniejszenia odległości między atomami zwiększa się siła wiązania i wówczas krzywa może przyjąć postać krzywej () – jest to najkrótsze wiązanie wodorowe.
wiązanie pomiędzy dwoma różnymi cząsteczkami: to asymetryczne wiązanie wodorowe, które jest najdłuższym możliwym wiązaniem wodorowym. Tworzy się ono w atomie wodoru, umieszczonym pomiędzy dwoma różnymi atomami ( i ) o różnej elektroujemności (). Energia potencjalna dla tego typu wiązania przyjmuje postać krzywej (), która jest niesymetryczna i posiada dwa nierównoważne minima dla protonu, który znajduje się w głębszym minimum.
Dostarczenie energii może spowodować zmianę położenia protonu, co uzależnione jest od wysokości bariery potencjału oraz od temperatury – wówczas może się ona stać bardziej symetryczna ().
W zależności od położenia wodoru w wiązaniu wodorowym, energię potencjalną wiązań charakteryzują poniższe krzywe:
Słownik
wiązanie chemiczne, które polega na uwspólnianiu par elektronowych atomów tego samego pierwiastka
wiązanie chemiczne, które polega na uwspólnianiu par elektronowych, przesuniętych w kierunku atomu silniej elektroujemnego
właściwość indywiduów chemicznych, która polega na występowaniu w nich elektrycznego momentu dipolowego, na skutek nierównomiernego rozłożenia cząstkowych ładunków elektrycznych na atomach
miara zdolności do przyciągania elektronów przez atomy danego pierwiastka podczas tworzenia związku chemicznego z atomami innego pierwiastka
wykres zależności energii potencjalnej danych cząsteczek od długości wiązania (a więc od wzajemnej odległości jąder)
przejścia elektronowe występujace pomiędzy orbitalami – (teoretycznie zabronione); występują jednak na skutek drgań w kompleksach tetraedrycznych i są dozwolone
inne niż wiązania chemiczne siły, które wiążą atomy i cząsteczki; należą do nich: oddziaływania elektrostatyczne, wiązania wodorowe, oddziaływania typu dipol–dipol, oddziaływania van der Waalsa, oddziaływania dyspersyjne (Londona)
wiązanie się pojedynczych cząsteczek w asocjaty (zespoły cząsteczek)
Bibliografia
Encyklopedia PWN
Hejwowska S., Marcinkowski R., Chemia ogólna i nieorganiczna, Gdynia 2005.
Atkins P., Jones L., Chemia ogólna Cząsteczki materia reakcje, Warszawa 2004.
http://www.malecki.chemia.us.edu.pl/wiazania-chemiczne/wiazania-wodorowe [dostęp 12.01.2020]