Водородни връзки

Сега ще разгледаме водородните връзки. Тук са изобразени молекулите на три различни съединения. Вляво имам амоняк. Всяка молекула амоняк има един азотен атом, свързан с три водородни атома. Съединението, чиято молекула е в средата, може би ти е познато, всъщност ние сме изградени от него, и това е вода. Всеки кислороден атом е свързан с два водородни атома. Вдясно е молекулата на флуороводорода. Всеки флуорен атом е свързан с един водороден атом. С какво са ни интересни молекулите на тези съединения? Какво общо имат те с водородните връзки? Простият отговор е, че във всеки от тези случаи имаш водороден атом, свързан с много по-електроотрицателен атом. Въпреки че връзките са ковалентни, те са полярни ковалентни връзки. Връзката има диполен момент, насочен от водорода към по-електроотрицателния атом. По-електроотрицателният атом ще привлече споделените електрони. Електроните ще прекарват повече време около него. Този край на молекулата ще има частично отрицателен заряд. И краищата с водородните атоми ще имат частично положителни заряди. Друг начин да обясним това е, че ако съберем тези диполни моменти, се получава сумарен дипол за цялата молекула, който изглежда ето така. Работим с полярни молекули, а полярността е резултат от една страна от асиметрията, от това, че силно електроотрицателен атом е свързан с водорода – силно електроотрицателният атом на кислорода е свързан с водорода, и този край на молекулата е частично отрицателен, а този край на молекулата или тези краища на молекулата са частично положителни. За флуороводорода този край е частично положителен, а този край е частично отрицателен. Според теб какво може да се случи, когато тези молекули взаимодействат помежду си? Азотният край на този амоняк може да бъде привлечен към един от тези водородни атоми, които имат частично положителен заряд. Или този водород, при който има частично положителен заряд, може да бъде привлечен към този азотен атом, който има частично отрицателен заряд. И това привличане между частично положителния водороден край и частично отрицателния край на друга молекула, това представляват така наречените водородни връзки. Това са междумолекулни сили, които се наслагват към общите междумолекулни сили, например дисперсионните сили (силите на Лондон), и водородните връзки допринасят за повишаване на точката на кипене в сравнение с това, което можем да очакваме, ако действат само дисперсионните сили (силите на Лондон). За да стане още по-ясно това, може да разгледаш тази диаграма. Можеш да видиш, че всички тези молекули са образувани между елементи от втори период и водород. Всъщност, всички тези молекули имат подобни моларни маси, метан, амоняк, флуороводород и вода. Ако мислим само за дисперсионни сили, дисперсионните сили са пропорционални на способността на една молекула да се поляризира, която е пропорционална на размера на електронния облак, който е пропорционален на моларната маса. В общия случай, когато преминаваш от съединения, съдържащи елементи от втори период, към такива с елементи от трети период, с елементи от четвърти период, с елементи от пети период, виждаш, че когато моларната маса на тези молекули се увеличава, има обща тенденция точката на кипене да се покачва и причината за това са дисперсионните сили. Но тук можем да видим разликата при елементите от едни и същ период. По-конкретно виждаш разликата между съединения, които съдържат кислород, флуор и азот. Тези съеднинения, въпреки че имат подобни моларни маси, имат много различни точки на кипене. Така че трябва да има някакъв друг вид междумолекулни сили, които оказват влияние, освен дисперсионните сили. И простият отговор е че съществуват такива сили. Това, което влияе, са водородните връзки. Възможно е да се чудиш относно съединенията, образувани с елементи от трети период и водород или елементи от четвърти период и водород, които също имат различни точки на кипене, въпреки че бихме очаквали да действат сходни дисперсионни сили, понеже имат подобни моларни маси. Разликата, която виждаш при точките на кипене, също се дължи на други фактори в допълнение на дисперсионните сили. Тук по-конкретно участват дипол-диполни сили. Но както виждаш, разликите са много по-големи за тези съединения, образувани от азот и водород, флуор и водород и кислород и водород. Причината за това е, че водородните връзки могат да се разглеждат като най-силната форма на дипол-диполните сили. Водородните връзки са специален случай на дипол-диполни сили. Когато говорим за водородни връзки, обикновено говорим за дипол при един конкретен вид връзка, връзка между водород и по-електроотрицателен атом като азот, кислород и флуор. По-конкретно имаме предвид тази част от молекулата, където е водородът и се наблюдава частично положителен заряд, като тази част се привлича от частично отрицателния край на друга молекула. Тук участва дипола конкретно при тази връзка с водорода, за разлика от дипола на цялата молекула, когато говорим за общия случай на дипол-диполни взаимодействия. Вероятно се досещаш, че водородните връзки не е задължително да са между еднакви молекули. Може да имаш водородни връзки между молекула амоняк и молекула вода или молекула вода и молекула флуороводород. Споменах, че тези водородни връзки са много важни в биологията. Това тук е близък план на ДНК. Можеш да видиш, че двойките бази в ДНК, можеш да си ги представиш като стъпалата на стълба, те са образувани от водородните връзки между двойките бази. Тези водородни връзки са достатъчно силни, че да поддържат тази двойна спирала в едно, но не са толкова силни, че да не могат да бъдат разкъсани, когато трябва да се репликира или транскрибира ДНК. Водородните връзки също така са много важни при протеините. В уроците по биология сте учили, че протеините са изградени от вериги от аминокиселини и че функциите на протеините силно зависят от тяхната форма. А тяхната форма се определя от водородните връзки, които се образуват между аминокиселините, които изграждат протеина. Водородните връзки са навсякъде. Множество водородни връзки съществуват в тялото ти в момента, не само в молекулите ДНК, но и поради факта, че човешкият организъм съдържа предимно вода. Животът, какъвто го познаваме, не би съществувал без водородни връзки.