Ikatan hidrogen adalah interaksi antara dua atom elektronegatif dari satu atau molekul yang berbeda dengan menggunakan atom hidrogen: A - H ... B (bilah menunjukkan ikatan kovalen, tiga titik menunjukkan ikatan hidrogen).
Salah satu tanda ikatan hidrogen adalah jarak antara atom hidrogen dan atom lain yang membentuknya. Itu harus kurang dari jumlah jari-jari atom-atom ini.
Mereka muncul, sebagai suatu peraturan, antara atom fluor, nitrogen dan oksigen (unsur yang paling elektronegatif), lebih jarang - dengan partisipasi klorin, sulfur, dan atom non-logam lainnya. Ikatan hidrogen yang kuat terbentuk dalam zat cair seperti air, hidrogen fluorida, asam anorganik yang mengandung oksigen, asam karboksilat, fenol, alkohol, amonia, amina. Selama kristalisasi, ikatan hidrogen dalam zat ini biasanya dipertahankan.
Kecanduan sifat fisik zat dengan struktur molekul pada sifat interaksi antarmolekul. Efek ikatan hidrogen pada sifat-sifat zat.
Ikatan hidrogen antar molekul menyebabkan hubungan molekul, yang mengarah pada peningkatan titik didih dan leleh zat. Misalnya, etil alkohol C2H5OH, yang mampu berasosiasi, mendidih pada + 78,3 °, dan dimetil eter СН3ОСН3, yang tidak membentuk ikatan hidrogen, hanya pada -24 ° (( rumus molekul keduanya zat C2H6O).
Pembentukan ikatan-H dengan molekul pelarut meningkatkan kelarutan. Jadi, metil dan etil alkohol (CH3OH, С2Н5ОН), membentuk ikatan-Н dengan molekul air, larut secara tak terbatas di dalamnya.
Ikatan hidrogen intramolekul dibentuk dengan pengaturan ruang yang menguntungkan dalam molekul kelompok atom yang sesuai dan secara khusus mempengaruhi sifat-sifatnya. Sebagai contoh, ikatan H di dalam molekul asam salisilat meningkatkan keasamannya. Ikatan hidrogen memainkan peran yang sangat penting dalam pembentukan struktur spasial biopolimer (protein, polisakarida, asam nukleat), yang sangat menentukan fungsi biologisnya.
Kekuatan interaksi antarmolekul (gaya Van der Waals). Interaksi orientasi, induksi dan dispersi.
Interaksi antar molekul- Interaksi antara molekul atau atom yang netral secara listrik.
Untuk van der waals Pasukan termasuk interaksi antara dipol (konstan dan diinduksi). Nama ini disebabkan oleh fakta bahwa gaya-gaya ini adalah penyebab koreksi tekanan internal dalam persamaan keadaan gas nyata van der Waals. Interaksi ini terutama menentukan kekuatan yang bertanggung jawab untuk pembentukan struktur spasial makromolekul biologis.
Orientasional: Molekul polar di mana pusat gravitasi dari muatan positif dan negatif tidak bersamaan, misalnya, HCl, H2O, NH3, diorientasikan sehingga berakhir dengan muatan berlawanan berada di dekatnya. Di antara mereka ada daya tarik. (Energi Keesom) dinyatakan dengan rasio:
E K \u003d −2 μ 1 μ 2 / 4π ε 0 r 3,
di mana μ1 dan μ2 adalah momen dipol dari dipol yang berinteraksi, r adalah jarak di antara mereka. Tarikan dipol-dipol dapat dilakukan hanya ketika energi tarik melebihi energi termal dari molekul; ini biasanya terjadi pada padatan dan cairan. Interaksi dipol-dipol dimanifestasikan dalam cairan kutub (air, hidrogen fluorida).
Induksi: Di bawah aksi ujung bermuatan molekul polar, awan elektron molekul nonpolar digeser ke arah muatan positif dan menjauh dari negatif. Molekul non-polar menjadi kutub, dan molekul-molekul mulai saling menarik, hanya jauh lebih lemah daripada dua molekul polar.
(Debye energy) ditentukan oleh ekspresi:
E D \u003d −2 μ nav 2 γ / r 6,
di mana μ nav adalah momen dipol yang diinduksi.
Daya tarik dipol yang konstan dan terinduksi biasanya sangat lemah, karena polarisasi dari sebagian besar zat adalah kecil. Kerjanya hanya pada jarak yang sangat kecil antara dipol. Jenis interaksi ini dimanifestasikan terutama dalam larutan senyawa polar dalam pelarut non-polar.
Dispersi: Antara molekul nonpolar, tarikan juga dapat terjadi. Elektron yang bergerak konstan dapat berubah menjadi terkonsentrasi pada satu sisi molekul untuk sesaat, yaitu, partikel non-polar akan menjadi polar. Hal ini menyebabkan redistribusi muatan dalam molekul tetangga, dan ikatan jangka pendek terbentuk di antara mereka.
(Energi London) diberikan oleh rasio:
E L \u003d −2 μ mgn 2 γ 2 / r 6,
di mana μ mgn adalah momen dipol instan. Gaya tarik London antara partikel non-polar (atom, molekul) jaraknya sangat pendek. Nilai energi tarikan ini tergantung pada ukuran partikel dan jumlah elektron dalam dipol yang diinduksi. Ikatan ini sangat lemah - yang terlemah dari semua interaksi antar molekul. Namun, mereka adalah yang paling universal, karena mereka muncul di antara molekul mana pun.
KOMUNIKASI HYDROGEN(H-bond) adalah jenis interaksi khusus antara kelompok reaktif, sedangkan salah satu kelompok mengandung atom hidrogen yang rentan terhadap interaksi seperti itu. Ikatan hidrogen adalah fenomena global yang mencakup semua kimia. Tidak seperti ikatan kimia konvensional, ikatan-H tidak muncul sebagai hasil dari sintesis yang ditargetkan, tetapi muncul dalam kondisi yang sesuai dan memanifestasikan dirinya dalam bentuk interaksi antarmolekul atau intramolekul.
Fitur ikatan hidrogen.
Ciri khas ikatan hidrogen adalah kekuatannya yang relatif rendah, energinya 5-10 kali lebih rendah daripada energi ikatan kimia. Dalam energi, ia menempati posisi tengah antara ikatan kimia dan interaksi Van der Waals, yaitu ikatan yang menahan molekul dalam fase padat atau cair.
Dalam pembentukan ikatan-H, peran yang menentukan dimainkan oleh elektronegativitas atom yang berpartisipasi dalam ikatan - kemampuan untuk menarik elektron ikatan kimia ke dirinya sendiri dari mitra-atom yang terlibat dalam ikatan ini. Akibatnya, muatan negatif parsial muncul pada atom A dengan elektronegativitas yang meningkat, dan d + positif muncul pada atom mitra, ikatan kimia sementara terpolarisasi: Dan d- -H d +.
Muatan positif parsial yang dihasilkan pada atom hidrogen memungkinkannya untuk menarik molekul lain yang juga mengandung unsur elektronegatif, dengan demikian, bagian utama dalam pembentukan ikatan-H dibuat oleh interaksi elektrostatik.
Tiga atom berpartisipasi dalam pembentukan ikatan H, dua elektronegatif (A dan B) dan atom hidrogen H di antara mereka, struktur ikatan tersebut dapat direpresentasikan sebagai berikut: B ··· H d + -A d- (ikatan hidrogen biasanya dilambangkan dengan garis putus-putus) ) Atom A, yang terikat secara kimiawi dengan H, disebut donor proton (lat. Donare - beri, donasi), dan B - akseptornya (lat. Akseptor - penerima). Paling sering, tidak ada "sumbangan" yang sebenarnya, dan H secara kimiawi terkait dengan A.
Tidak banyak atom donor A memasok H untuk pembentukan ikatan H, praktis hanya tiga: N, O, dan F, pada saat yang sama, set atom akseptor B sangat luas.
Konsep dan istilah "ikatan hidrogen" diperkenalkan oleh V. Latimer dan R. Rodebusch pada tahun 1920 untuk menjelaskan titik didih tinggi air, alkohol, HF cair dan beberapa senyawa lainnya. Membandingkan titik didih senyawa terkait Н 2 O, Н 2 S, Н 2 Se, dan Н 2 Te, mereka menarik perhatian pada fakta bahwa anggota pertama dari seri ini - air - mendidih jauh lebih tinggi daripada yang mengikuti dari keteraturan yang terbentuk oleh yang lain. anggota seri. Dari pola ini maka air mendidih 200 ° C lebih rendah dari nilai sebenarnya yang diamati.
Deviasi yang persis sama diamati untuk amonia dalam sejumlah senyawa terkait: NH3, H3P, H3 As, H3 Sb. Titik didih sebenarnya (-33 ° C) adalah 80 ° C lebih tinggi dari yang diharapkan.
Ketika cairan mendidih, hanya interaksi van der Waals, yang menahan molekul dalam fase cair, dihancurkan. Jika titik didih tinggi secara tak terduga, maka, oleh karena itu, molekul-molekul juga terikat oleh beberapa gaya lain. Dalam hal ini, ini adalah ikatan hidrogen.
Demikian juga, peningkatan titik didih alkohol (dibandingkan dengan senyawa yang tidak mengandung gugus -OH) adalah hasil dari pembentukan ikatan hidrogen.
Saat ini, metode spektral (paling sering spektroskopi inframerah) menyediakan cara yang andal untuk mendeteksi ikatan-H. Karakteristik spektral dari gugus AN yang terikat oleh ikatan hidrogen sangat berbeda dari kasus-kasus ketika ikatan seperti itu tidak ada. Selain itu, jika studi struktural menunjukkan bahwa jarak antara atom B - H kurang dari jumlah jari - jari Van der Waals, maka diyakini bahwa keberadaan ikatan H terbentuk.
Selain titik didih yang tinggi, ikatan hidrogen juga memanifestasikan dirinya selama pembentukan struktur kristal suatu zat, meningkatkan titik lelehnya. Dalam struktur kristal es, ikatan-H membentuk jaringan tiga dimensi, sedangkan molekul air diatur sehingga atom hidrogen dari satu molekul diarahkan ke atom oksigen dari molekul tetangga:
Asam borat B (OH) 3 memiliki struktur kristal berlapis, setiap molekul dihubungkan oleh ikatan hidrogen dengan tiga molekul lainnya. Pengepakan molekul dalam lapisan membentuk pola parket, dirakit dari segi enam:
Sebagian besar zat organik tidak larut dalam air, ketika aturan seperti itu dilanggar, maka, paling sering, ini adalah hasil dari intervensi ikatan hidrogen.
Oksigen dan nitrogen adalah donor utama proton, mereka mengasumsikan fungsi atom A dalam triad B yang sebelumnya dianggap B ··· Н d + -А d-. Mereka paling sering bertindak sebagai akseptor (atom B). Karena hal ini, beberapa zat organik yang mengandung O dan N sebagai atom B dapat larut dalam air (oksigen air berperan sebagai atom A). Ikatan hidrogen antara bahan organik dan air membantu "memisahkan" molekul-molekul bahan organik, menerjemahkannya ke dalam larutan berair.
Ada aturan praktis: jika bahan organik mengandung tidak lebih dari tiga atom karbon per atom oksigen, mudah larut dalam air:
Benzene sangat sedikit larut dalam air, tetapi jika kita mengganti satu kelompok CH dengan N, kita mendapatkan piridin C 5 H 5 N, yang bercampur dengan air dalam perbandingan apa pun.
Ikatan hidrogen juga dapat memanifestasikan dirinya dalam larutan non-air, ketika muatan positif parsial muncul pada hidrogen, dan molekul yang mengandung akseptor "baik", biasanya oksigen, ada di dekatnya. Misalnya, kloroform HCCl 3 melarutkan asam lemak, dan asetilena HCєCH larut dalam aseton:
Fakta ini telah menemukan aplikasi teknis yang penting, asetilena di bawah tekanan sangat sensitif terhadap pengocokan cahaya dan mudah meledak, dan solusinya dalam aseton di bawah tekanan aman untuk ditangani.
Peran penting dimainkan oleh ikatan hidrogen dalam polimer dan biopolimer. Dalam selulosa, komponen utama kayu, gugus hidroksil terletak dalam bentuk gugus samping rantai polimer yang dirakit dari fragmen siklik. Meskipun energi yang relatif lemah dari masing-masing ikatan-H individu, interaksi mereka di seluruh molekul polimer mengarah ke interaksi antar molekul yang sangat kuat sehingga pembubaran selulosa menjadi mungkin hanya dengan penggunaan pelarut yang sangat polar yang eksotis - pereaksi Schweitzer (kompleks amonia dari tembaga hidroksida).
Ikatan hidrogen (ikatan-H)Ikatan yang dibentuk oleh atom hidrogen terprotonasi dengan atom yang sangat elektronegatif dari molekul yang sama atau yang lain. Dalam kondisi normal, valensi hidrogen adalah 1, dan mampu mensosialisasikan satu pasangan elektron dengan atom lain, membentuk ikatan kovalen: atom hidrogen dapat melampirkan elektron, membentuk ion hidrida H +.
Atom hidrogen memiliki fitur yang membedakannya dari semua atom lain: melepaskan elektronnya, tetap dalam bentuk inti tanpa elektron, yaitu dalam bentuk partikel, diameternya ribuan kali lebih kecil dari diameter atom lainnya. Dengan tidak adanya elektron, ion H + tidak ditolak oleh kulit elektron dari atom atau ion lain, tetapi lebih tertarik; dapat mendekati atom lain, berinteraksi dengan elektronnya dan bahkan menembus ke kulit elektronnya. Dalam cairan, ion H + untuk sebagian besar tidak ditahan sebagai partikel independen, tetapi mengikat molekul dua zat: dalam air, ke molekul air, membentuk ion hidroksonium H3 O +; dengan molekul amonia - ion amonium NH 4 +.
Karena terikat pada atom salah satu unsur yang paling elektronegatif: atom fluor, oksigen, klor, dan nitrogen, atom hidrogen memperoleh muatan positif yang relatif tinggi, tidak melebihi kesatuan. Karena muatan ini terkonsentrasi pada inti atom yang sangat kecil, ia sangat mendekati atom lain yang membawa muatan negatif. Hal ini menyebabkan pembentukan ikatan dipol-dipol agak kuat dengan energi 20-30 kJ / mol atau lebih. Ikatan hidrogen muncul sebagai hasil dari interaksi interdipole dari dua ikatan yang sangat polar milik molekul yang berbeda atau molekul yang sama. Dia lebih lemah dari biasanya ikatan kovalenyang energinya sekitar 125-420 kJ / mol dan dapat ditingkatkan karena polarisasi ikatan timbal balik karena fitur-fitur ini dari atom hidrogen. Ikatan hidrogen (ikatan-H) dilambangkan dengan X-H ×
Atom hidrogen yang berpartisipasi dalam ikatan hidrogen dapat terletak tepat di tengah-tengah antara dua atom yang sangat negatif - pengaturan simetris atau bergeser lebih dekat ke atom yang memiliki elektronegativitas besar - pengaturan asimetris.
Energi ikatan hidrogen cukup untuk menyebabkan disosiasi molekul yang nyata pada suhu rendah dan biasa. Hidrogen fluorida, bahkan di dekat titik didih, memiliki komposisi rata-rata (HF) 4. Asosiasi mengarah pada titik leleh dan titik didih hidrogen fluorida yang tinggi dan tidak normal. Keberadaan dimer H 2 F 2 menjelaskan pembentukan garam asam dari tipe KHF 2 × NaHF 2. Fakta bahwa asam hidrofluorik, berbeda dengan asam klorida, hidrobromik dan hidroodik, adalah asam lemah (Kd \u003d 7 × 10 -4) juga merupakan konsekuensi dari asosiasi molekul HF karena ikatan hidrogen.
Di hadapan ikatan hidrogen asimetris yang terjadi dalam senyawa oksigen dan nitrogen, hidrogen terletak sedikit lebih dekat dengan salah satu dari dua atom yang berdekatan, di sini ikatan-antarmolekul. Setiap molekul H2O terlibat dalam pembentukan dua ikatan H, sehingga atom oksigen terikat pada empat atom hidrogen. Molekul air terkait membentuk struktur spasial kerawang, di mana setiap atom oksigen terletak di pusat tetrahedron, dan atom hidrogen berada di sudut-sudut.
Struktur spasial kerawang air
Struktur kerawang es dijelaskan oleh kerapatan yang lebih rendah dari air. Selama peleburan, sebagian ikatan H putus dan kerapatan air meningkat, karena molekul diatur lebih padat. Sebuah studi X-ray menunjukkan bahwa untuk sebagian besar molekul, lingkungan tetrahedral juga diawetkan dalam air cair: lokasi molekul tetangga hampir sama dengan di kristal es, dan di lapisan berikutnya diulang
beberapa penyimpangan dari pemesanan yang ditentukan; deviasi meningkat dengan jarak dari molekul yang diambil. Air dicirikan oleh adanya "urutan jangka pendek" seperti dengan cairan lain, dan pada tingkat lebih rendah, dibandingkan dengan cairan lain, adanya "urutan jarak jauh". Ini menjelaskan adanya struktur kristal dalam air.
Sifat air seperti nilai besar kapasitas panas dan panas penguapan, titik leleh dan titik didih tinggi yang tidak normal, konstanta dielektrik tinggi - karena ikatan molekul air oleh ikatan hidrogen. Tanpa ikatan H, t permukaan air \u003d -100 о t, t mendidih air \u003d -80 о С.
Ikatan hidrogen hadir dalam amonia cair. Atom hidrogen yang terikat pada karbon dapat memperoleh kemampuan untuk membentuk ikatan hidrogen jika valensi karbon yang tersisa dijenuhkan dengan atom yang sangat elektronegatif atau gugus atom yang sesuai, misalnya, kloroform (CHCl 3), pentachloroethane (CCl 3 -CHCl 2), yaitu. kedekatan atom-atom elektronegatif dapat mengaktifkan pembentukan ikatan hidrogen dalam atom-atom gugus CH, meskipun elektronegativitas atom C dan H hampir sama. Ini menjelaskan terjadinya ikatan-H antara molekul dalam HCN cair, CHF 3, dll.
Ikatan hidrogen melekat dalam setiap keadaan agregat suatu zat. Ini terbentuk antara molekul yang sama dan berbeda, antara bagian berbeda dari molekul yang sama - ikatan hidrogen intramolekul. Yang paling umum adalah ikatan-H antara molekul yang mengandung gugus OH - hidroksil.
Eter, bahkan dengan massa molar yang lebih tinggi, lebih mudah menguap daripada alkohol, karena dalam eter semua atom hidrogen terikat pada atom karbon dan tidak dapat membentuk ikatan H.
Peran ikatan-H dalam sistem biokimia sangat besar. Sifat-sifat protein dan asam nukleat sebagian besar disebabkan oleh adanya ikatan hidrogen. Ikatan H memainkan peran besar dalam proses disolusi. Ikatan hidrogen dalam molekul protein, asam nukleat, dan senyawa biologis penting lainnya tersebar luas, oleh karena itu, ikatan ini memainkan peran penting dalam kimia proses vital.