Hidrojen bağı bir veya iki elektronegatif atom arasındaki etkileşim farklı moleküller hidrojen atomu aracılığıyla: A - H ... B (çubuk, kovalent bir bağ, üç nokta - bir hidrojen bağı anlamına gelir).

Hidrojen bağının belirtilerinden biri, bir hidrojen atomu ile onu oluşturan başka bir atom arasındaki mesafe olabilir. Bu atomların yarıçaplarının toplamından daha az olmalıdır.

Kural olarak, flor, nitrojen ve oksijen atomları (en elektronegatif elementler) arasında, daha az sıklıkla - klor, kükürt ve diğer ametallerin katılımıyla oluşurlar. Su, hidrojen florür, oksijen içeren inorganik asitler, karboksilik asitler, fenoller, alkoller, amonyak ve aminler gibi sıvı maddelerde güçlü hidrojen bağları oluşur. Kristalizasyon sırasında, bu maddelerdeki hidrojen bağları genellikle korunur.

Bağımlılık fiziki ozellikleri moleküller arası etkileşimin doğası üzerine moleküler yapıya sahip maddeler. Hidrojen bağlarının maddelerin özelliklerine etkisi.

Moleküller arası hidrojen bağları, moleküllerin birleşmesine yol açar, bu da bir maddenin kaynama ve erime sıcaklıklarında bir artışa yol açar. Örneğin, birleşebilen etil alkol C2H5OH, + 78.3 ° C'de kaynar ve yalnızca -24 ° C'de hidrojen bağı oluşturmayan dimetil eter СН3ОСН3 ( moleküler formül hem C2H6O maddeleri).

Solvent molekülleri ile H-bağlarının oluşumu çözünürlüğü artırır. Böylece, su molekülleri ile H-bağları oluşturan metil ve etil alkoller (CH3OH, C2H5OH), içinde sonsuza kadar çözünür.

Molekül içi hidrojen bağı, moleküldeki karşılık gelen atom gruplarının uygun bir uzamsal düzenlemesi ile oluşturulur ve spesifik olarak özellikleri etkiler. Örneğin, salisilik asit molekülleri içindeki H-bağı asitliğini arttırır. Hidrojen bağları, biyolojik işlevlerini büyük ölçüde belirleyen biyopolimerlerin (proteinler, polisakkaritler, nükleik asitler) uzaysal yapısının oluşumunda son derece önemli bir rol oynar.

Moleküller arası etkileşim kuvvetleri (van der Waals kuvvetleri). Oryantasyon, indüksiyon ve dağılım etkileşimleri.

Moleküller arası etkileşim- elektriksel olarak nötr moleküller veya atomlar arasındaki etkileşim.

KİME van der Waals kuvvetler, dipoller arasındaki etkileşimleri (sabit ve indüklenmiş) içerir. İsim, bu kuvvetlerin gerçek bir van der Waals gazı için durum denklemindeki iç basınç düzeltmesinin nedeni olmasından gelmektedir. Bu etkileşimler temel olarak biyolojik makromoleküllerin uzaysal yapısının oluşumundan sorumlu olan kuvvetleri belirler.

Oryantasyon: Pozitif ve negatif yüklerin ağırlık merkezlerinin çakışmadığı polar moleküller, örneğin, HCl, H2O, NH3, zıt yüklü uçların yakın olacağı şekilde yönlendirilir. Aralarında çekim doğar. (Keesom enerjisi) şu oranla ifade edilir:

E К \u003d −2 μ 1 μ 2/4π ε 0 r 3,

μ1 ve μ2 etkileşen dipollerin dipol momentleridir, r aralarındaki mesafedir. Dipol-dipol çekim, yalnızca çekim enerjisi moleküllerin termal enerjisini aştığında gerçekleştirilebilir; bu genellikle katılarda ve sıvılarda meydana gelir. Dipol-dipol etkileşimi, polar sıvılarda (su, hidrojen florür) ortaya çıkar.

İndüksiyon: Polar bir molekülün yüklü uçlarının etkisi altında, polar olmayan moleküllerin elektron bulutları, pozitif yüke doğru ve negatiften uzağa yer değiştirir. Polar olmayan molekül polar hale gelir ve moleküller birbirlerini çekmeye başlarlar, sadece iki polar molekülden çok daha zayıftır.

(Debye enerjisi) şu ifade ile belirlenir:

ED \u003d −2 μ nav 2 γ / r 6,

μ nav, indüklenen dipolün momentidir.

Kalıcı ve indüklenmiş dipollerin çekiciliği, çoğu maddenin moleküllerinin polarize edilebilirliği düşük olduğu için genellikle çok zayıftır. Yalnızca dipoller arasındaki çok küçük mesafelerde çalışır. Bu tür bir etkileşim, esas olarak polar olmayan çözücülerdeki polar bileşiklerin çözeltilerinde kendini gösterir.

Dağıtıcı: Polar olmayan moleküller arasında da çekim meydana gelebilir. Bir an için sürekli hareket halinde olan elektronlar molekülün bir tarafında yoğunlaşabilir, yani polar olmayan parçacık polar hale gelecektir. Bu, komşu moleküllerde yüklerin yeniden dağılımına neden olur ve aralarında kısa süreli bağlar kurulur.

(Londra enerjisi) şu şekilde verilir:

E Л \u003d −2 μ mn 2 γ 2 / r 6,

μ mn, anlık dipolün anıdır. Polar olmayan parçacıklar (atomlar, moleküller) arasındaki Londra çekim kuvvetleri çok kısa menzilli. Bu çekimin enerjisinin değerleri, parçacıkların boyutuna ve indüklenen çift kutuplardaki elektronların sayısına bağlıdır. Bu bağlar çok zayıftır - tüm moleküller arası etkileşimlerin en zayıfıdır. Bununla birlikte, herhangi bir molekül arasında ortaya çıktıkları için en evrensel olanlardır.

HİDROJEN BAĞLANTISI(H-bağı), reaktif gruplar arasında özel bir etkileşim türüdür, gruplardan biri bu tür etkileşime eğilimli bir hidrojen atomu içerir. Hidrojen bağı, tüm kimyayı kapsayan küresel bir fenomendir. Sıradan kimyasal bağlardan farklı olarak H-bağı, hedeflenen sentezin bir sonucu olarak ortaya çıkmaz, ancak uygun koşullar altında ortaya çıkar ve kendisini moleküller arası veya moleküller arası etkileşimler şeklinde gösterir.

Hidrojen bağının özellikleri.

Bir hidrojen bağının ayırt edici bir özelliği, nispeten düşük mukavemetidir, enerjisi kimyasal bir bağın enerjisinden 5-10 kat daha düşüktür. Enerji açısından, kimyasal bağlar ile van der Waals etkileşimleri, molekülleri katı veya sıvı fazda tutanlar arasında bir ara pozisyon işgal eder.

H-bağının oluşumunda belirleyici rol, bağa katılan atomların elektronegatifliği tarafından oynanır - kimyasal bağın elektronlarını atomdan çekebilme yeteneği - bu bağa katılan partner. Sonuç olarak, artan elektronegatifliğe sahip atom A'da ve ortak atomda - pozitif bir d +, kısmi bir negatif yük d- ortaya çıkar, kimyasal bağ bu durumda polarize edilir: A d- -H d +.

Hidrojen atomunda ortaya çıkan kısmi pozitif yük, aynı zamanda bir elektronegatif element içeren başka bir molekülü çekmesine izin verir, böylece elektrostatik etkileşimler, H-bağının oluşumunda ana payı oluşturur.

Bir H-bağının oluşumunda üç atom rol oynar, iki elektronegatif (A ve B) ve aralarında yer alan bir hidrojen atomu H, böyle bir bağın yapısı aşağıdaki gibi temsil edilebilir: BH d + -A d- (a hidrojen bağı genellikle noktalı bir çizgi ile gösterilir). H'ye kimyasal olarak bağlanan Atom A'ya proton vericisi (Latince bağış - vermek, bağışlamak) ve B - alıcısı (Latin alıcısı - alıcısı) olarak adlandırılır. Çoğu zaman, gerçek bir "bağış" yoktur ve H kimyasal olarak A ile ilişkili kalır.

Çok fazla atom yoktur - H bağlarının oluşumu için H'yi sağlayan A vericileri, pratik olarak sadece üç: N, O ve F, aynı zamanda, alıcı atomlar B grubu çok geniştir.

Kavram ve "hidrojen bağı" terimi 1920 yılında W. Latimer ve R. Rodebusch tarafından suyun, alkollerin, sıvı HF'nin ve diğer bazı bileşiklerin yüksek kaynama noktalarını açıklamak için tanıtıldı. H 2 O, H 2 S, H 2 Se ve H 2 Te bileşiklerinin kaynama noktalarını karşılaştırarak, bu serinin ilk üyesinin - suyun - oluşan düzenlilikten çok daha fazla kaynadığına dikkat çektiler. serinin geri kalan üyeleri tarafından. Bu modelden, suyun gözlemlenen gerçek değerden 200 ° C daha düşük kaynaması gerektiği anlaşıldı.

Bir dizi ilişkili bileşikte amonyak için tam olarak aynı sapma gözlemlenir: NH3, H3P, H3As, H3Sb. Gerçek kaynama noktası (-33 ° C) beklenenden 80 ° C daha yüksektir.

Bir sıvı kaynadığında, yalnızca van der Waals etkileşimleri, sıvı fazda molekülleri tutan etkileşimler yok edilir. Kaynama noktaları beklenmedik derecede yüksekse, sonuç olarak moleküller başka ek kuvvetlerle bağlanır. Bu durumda, bunlar hidrojen bağlarıdır.

Benzer şekilde, alkollerin kaynama noktasının artması (-OH grubu içermeyen bileşiklerle karşılaştırıldığında) hidrojen bağlarının oluşumunun sonucudur.

Şu anda, spektral yöntemler (çoğunlukla kızılötesi spektroskopi) H-bağlarını tespit etmek için güvenilir bir yol sağlar. Hidrojen bağlı AN gruplarının spektral özellikleri, böyle bir bağın olmadığı durumlardan belirgin şekilde farklıdır. Ek olarak, yapısal çalışmalar B - H atomları arasındaki mesafenin van der Waals yarıçaplarının toplamından daha az olduğunu gösteriyorsa, bu durumda H-bağının var olduğu kabul edilir.

Hidrojen bağları, artan kaynama noktasının yanı sıra, bir maddenin kristal yapısının oluşumu sırasında da kendini göstererek erime noktasını yükseltir. Buzun kristal yapısında, H-bağları bir yığın ağ oluştururken, su molekülleri, bir molekülün hidrojen atomları, komşu moleküllerin oksijen atomlarına yönlendirilecek şekilde düzenlenir:

Borik asit B (OH) 3, katmanlı bir kristal yapıya sahiptir, her molekül, diğer üç molekülle hidrojene bağlıdır. Moleküllerin bir katmanda paketlenmesi, altıgenlerden birleştirilmiş bir parke modeli oluşturur:

Çoğu organik madde suda çözünmez, bu kural ihlal edildiğinde, çoğu zaman bu, hidrojen bağlarının müdahalesinin sonucudur.

Oksijen ve nitrojen protonların ana vericileridir; daha önce düşünülen B ··· H d + -A d- üçlüsünde atom A'nın işlevini üstlenirler. Çoğu zaman alıcı olarak hareket ederler (atom B). Bundan dolayı, B atomunun rolünde O ve N içeren bazı organik maddeler suda çözünebilir (atom A'nın rolü su oksijeni tarafından oynanır). Organik madde ve su arasındaki hidrojen bağları, organik madde moleküllerini "ayırmaya" yardımcı olarak onu sulu bir çözeltiye aktarır.

Pratik bir kural var: eğer organik madde oksijen atomu başına üçten fazla karbon atomu içermez, daha sonra suda kolayca çözünür:

Benzen suda çok az çözünür, ancak bir CH grubunu N ile değiştirirseniz, suyla her oranda karışabilen piridin C 5 H 5 N elde ederiz.

Hidrojen bağları, hidrojende kısmi bir pozitif yük oluştuğunda ve genellikle oksijen olmak üzere "iyi" bir alıcı içeren bir molekül yakınlarda bulunduğunda susuz çözeltilerde de kendini gösterebilir. Örneğin, kloroform HCCl3 yağ asitlerini çözer ve asetilen HCєCH asetonda çözünür:

Bu gerçek, önemli teknik uygulamalar bulmuştur, basınç altındaki asetilen hafif şoka karşı çok hassastır ve kolayca patlar ve aseton içindeki çözeltisinin basınç altında kullanılması güvenlidir.

Polimerler ve biyopolimerlerdeki hidrojen bağları önemli bir rol oynar. Selülozda ahşabın ana bileşeni olan hidroksil grupları, siklik parçalardan birleştirilmiş bir polimer zincirinin yan grupları şeklinde bulunur. Her bir H-bağının nispeten zayıf enerjisine rağmen, polimer molekülü boyunca etkileşimleri o kadar güçlü bir moleküller arası etkileşime yol açar ki, selülozun çözünmesi yalnızca egzotik bir yüksek polar çözücü - Schweitzer reaktifi (bakır hidroksitin amonyak kompleksi) kullanıldığında mümkün olur. .

Hidrojen bağı (H-bağı)Protonlanmış bir hidrojen atomunun aynı veya başka bir molekülün güçlü elektriksel olarak negatif bir atomuyla oluşturduğu bir bağdır. Normal koşullar altında, hidrojenin değeri 1'dir ve bir elektron çiftini diğer atomlarla sosyalleştirerek kovalent bir bağ oluşturabilir: bir hidrojen atomu bir elektron bağlayarak bir hidrit iyonu H + oluşturabilir.

Hidrojen atomu, onu diğer tüm atomlardan ayıran bir özelliğe sahiptir: elektronundan vazgeçerek, elektronsuz bir çekirdek şeklinde kalır, yani. Çapı diğer atomların çapından binlerce kez daha küçük olan bir parçacık formundadır. Elektronların yokluğunda, H + iyonu diğer atomların veya iyonların elektron kabukları tarafından itilmez, tersine çekilir; diğer atomlara yaklaşabilir, elektronlarıyla etkileşime girebilir ve hatta elektron kabuklarına sızabilir. Sıvılarda, H + iyonları çoğunlukla bağımsız bir parçacık olarak kalmazlar, iki maddenin molekülleriyle bağlanırlar: su molekülleri ile suda, hidronyumun H 3 O + iyonunu oluşturur; bir amonyak molekülü ile - NH 4 + -amonyum iyonu.

En elektronegatif elementlerden biri olan flor, oksijen, klor ve nitrojenin bir atoma bağlı olan hidrojen atomu, biri geçmeyen nispeten yüksek bir pozitif yük kazanır. Bu yük son derece küçük bir atom çekirdeğinde yoğunlaştığından, negatif yük taşıyan başka bir atoma çok yakındır. Bu, 20-30 kJ / mol ve daha fazla enerjiye sahip oldukça güçlü bir dipol-dipol bağının oluşumuna neden olur. Hidrojen bağı, farklı moleküllere veya aynı moleküle ait iki güçlü polar bağın iki kutuplar arası etkileşiminin bir sonucu olarak ortaya çıkar. Her zamankinden daha zayıf kovalent bağEnerji yaklaşık 125-420 kJ / mol olan ve hidrojen atomunun belirtilen özelliklerinden dolayı bağların karşılıklı polarizasyonu nedeniyle artırılabilir. Hidrojen bağı (H-bağı) Х-Н × ЧЧЧ ile gösterilir.

Hidrojen bağına katılan hidrojen atomu, iki güçlü negatif atomun tam ortasına yerleştirilebilir - simetrik bir düzenleme veya büyük bir elektronegatifliğe sahip olana - asimetrik bir düzenleme - yaklaşabilir.

Hidrojen bağının enerjisi, normal ve düşük sıcaklıklarda moleküllerin gözle görülür bir şekilde ayrışmasına neden olmak için yeterlidir. Kaynama noktasına yakın olsa bile, hidrojen florür ortalama bir bileşime (HF) sahiptir 4. İlişki, hidrojen florürün anormal derecede yüksek erime ve kaynama noktalarına neden olur. H 2 F 2 dimerinin varlığı, KHF 2 × NaHF 2 tipi asidik tuzların oluşumunu açıklar. Hidroklorik, hidrobromik ve hidroiyodik asidin aksine hidroflorik asidin zayıf asit (Kd \u003d 7 × 10 -4) - ayrıca HF moleküllerinin hidrojen bağlarından dolayı birleşmesinin bir sonucudur.

Oksijen ve nitrojen bileşiklerinde oluşan asimetrik bir hidrojen bağı varlığında, hidrojen iki komşu atomdan birine biraz daha yakın bir yerde bulunur, burada moleküller arası H-bağı... Her bir H 2 O molekülü, iki H-bağının oluşumuna katılır, böylece oksijen atomu dört hidrojen atomuna bağlanır. İlişkili su molekülleri, her bir oksijen atomunun tetrahedronun merkezinde bulunduğu ve köşelerde hidrojen atomlarının bulunduğu açık bir uzaysal yapı oluşturur.

Suyun açıklık mekansal yapısı

Buzun delikli yapısı, yoğunluğunun sudan daha düşük olduğunu açıklıyor. Erime sırasında H-bağlarının bir kısmı kırılır ve suyun yoğunluğu artar, çünkü moleküller daha yoğun şekilde paketlenmiştir. Bir X-ışını çalışması, sıvı sudaki moleküllerin çoğu için dört yüzlü bir ortamın da korunduğunu gösterdi: komşu moleküllerin düzeni neredeyse bir buz kristalindekiyle aynıdır ve bir sonraki katmanda tekrarlanır.

belirtilen sıralamadan bazı sapmalar; alınan molekülden uzaklaştıkça sapma artar. Su, diğer sıvılar için olduğu kadar "kısa menzilli düzen" varlığı ve daha az ölçüde, diğer sıvılarla karşılaştırıldığında "uzun menzilli düzen" varlığı ile karakterize edilir. Bu, sudaki kristal yapının varlığını açıklar.

Su moleküllerinin hidrojen bağları ile bağlanması nedeniyle yüksek ısı kapasitesi ve buharlaşma ısısı değerleri, anormal derecede yüksek erime ve kaynama noktaları, yüksek dielektrik sabiti gibi su özellikleri. H-bağları olmadan, t eriyik su \u003d -100 o C, t kaynar su \u003d -80 o C.

Hidrojen bağları sıvı amonyakta bulunur. Karbona bağlı bir hidrojen atomu, diğer karbon değerleri güçlü elektronegatif atomlar veya karşılık gelen atomik gruplarla doyurulursa, bir hidrojen bağı oluşturma yeteneği kazanabilir, örneğin, kloroform (CHCl3), pentakloroetan (CCl 3-CHCl2), yani Elektronegatif atomların yakınlığı, C ve H atomlarının elektronegatifliği hemen hemen aynı olmasına rağmen, CH gruplarının atomlarında bir hidrojen bağı oluşumunu etkinleştirebilir. Bu, sıvı HCN, CHF 3, vb. İçindeki moleküller arasındaki H-bağlarının görünümünü açıklar.

Bir hidrojen bağı, maddenin herhangi bir toplu halinin karakteristiğidir. Aynı ve farklı moleküller arasında, aynı molekülün farklı parçaları arasında oluşur - molekül içi hidrojen bağı... En yaygın olanı, OH - hidroksil grupları içeren moleküller arasındaki H-bağıdır.

Daha yüksek molar kütleli eterler alkollerden daha uçucudur, çünkü eterlerde tüm hidrojen atomları karbon atomlarına bağlıdır ve H-bağları oluşturamazlar.

H-bağının biyokimyasal sistemlerdeki rolü büyüktür. Proteinlerin ve nükleik asitlerin özellikleri büyük ölçüde bir hidrojen bağının varlığından kaynaklanmaktadır. H-bağı, çözünme süreçlerinde önemli bir rol oynar. Hidrojen bağları özellikle protein moleküllerinde, nükleik asitlerde ve biyolojik olarak önemli diğer bileşiklerde yaygındır, bu nedenle bu bağlar hayati süreçlerin kimyasında önemli bir rol oynar.