Что такое водородная связь?

Водородная связь - это относительно слабая связь, которую атомы водорода образуют с электроотрицательными атомами азота, кислорода или фтора. Водородные связи более слабые, чем ионные, ковалентные и металлические связи, но сами по себе они достаточно слабы, с энергией, как правило, от 5 до 30 кДж / моль. Напротив, слабые ковалентные связи имеют энергию около 155 кДж / моль. Водородная связь может быть либо межмолекулярной (между молекулами), либо внутримолекулярной (между разными частями молекулы). Этот тип связи может встречаться как в органических молекулах, таких как ДНК, так и в неорганических молекулах, таких как вода. Водородная связь частично ответственна за сложную вторичную и третичную структуру белков.

Самый вездесущий и самый простой пример водородной связи - в воде, где каждая молекула воды связана с четырьмя соседними молекулами воды посредством водородной связи. Атом кислорода в каждой молекуле воды имеет два свободных электрона, которые быстро связаны с атомами водорода в других молекулах воды. Кроме того, два атома водорода присоединены к каждой кислородной связи с молекулами кислорода в соседних молекулах воды. Это межмолекулярное соединение отвечает за относительно высокую температуру кипения воды. Вода имеет чрезвычайно высокую температуру кипения относительно материалов, состоящих из молекул одинакового размера. Если бы этих связей не существовало, вода кипела бы при температуре, подобной диоксиду углерода (который кипит при -78 ° C или -108,4 ° F) и жизни, как мы знаем, было бы невозможно.

Водородная связь состоит из акцептора водородной связи, целевого атома и донора водородной связи, самого атома водорода. Иногда в таких молекулах, как хлороформ (CHCl ₃ ), углерод может участвовать в водородных связях, особенно когда он окружен электроотрицательными атомами, такими как хлор. Водородная связь необычна и часто называется электростатическим диполь-дипольным взаимодействием (слабое межмолекулярное взаимодействие), объединяя ее с более переходными связями, вызванными мгновенными квантовыми флуктуациями электрического заряда, но она также обладает многими характеристиками гораздо более сильных ковалентных связей, где электронные облака фактически перекрываются напрямую. Эти характеристики включают в себя направленность, прочность, межатомные производственные расстояния, меньшие, чем типичные для переходных ван-дер-ваальсовых взаимодействий, и ограниченное число партнеров по взаимодействию, что позволяет диагностировать более прочные связи.

Длина водородных связей варьируется в зависимости от прочности связи, температуры и давления. Прочность связи также зависит от ряда факторов, включая температуру, угол соединения, давление и окружающую среду. В воде типичная длина водородной связи составляет 1,97 Å (197 ч.).