Hva forårsaker hydrogenbinding?

Hvordan hydrogenbindinger fungerer

LAGUNA DESIGN/Science Photo Library/Getty Images

Hydrogenbinding oppstår mellom a hydrogen atom og en elektronegativt atom (f.eks. oksygen, fluor, klor). Bindingen er svakere enn en ionisk binding eller en kovalent binding, men sterkere enn van der Waals styrker (5 til 30 kJ/mol). En hydrogenbinding er klassifisert som en type svak kjemisk binding.

Hvorfor dannes hydrogenbindinger

Grunnen hydrogenbinding oppstår er fordi elektronet ikke deles jevnt mellom et hydrogenatom og et negativt ladet atom. Hydrogen i en binding har fortsatt bare ett elektron, mens det tar to elektroner for et stabilt elektronpar. Resultatet er at hydrogenatomet har en svak positiv ladning, så det forblir tiltrukket av atomer som fortsatt har en negativ ladning. Av denne grunn forekommer ikke hydrogenbinding i molekyler med ikke-polare kovalente bindinger. Enhver forbindelse med polare kovalente bindinger har potensial til å danne hydrogenbindinger.

Eksempler på hydrogenbindinger

Hydrogenbindinger kan dannes i et molekyl eller mellom atomer i forskjellige molekyler. Selv om et organisk molekyl ikke er nødvendig for hydrogenbinding, er fenomenet ekstremt viktig i biologiske systemer. Eksempler på hydrogenbinding inkluderer:

• mellom to vannmolekyler
• holde to DNA-tråder sammen for å danne en dobbel helix
• styrkende polymerer (f.eks. repeterende enhet som hjelper til med å krystallisere nylon)
• danner sekundære strukturer i proteiner, slik som alfahelix og beta plissert ark
• mellom fibre i stoff, noe som kan resultere i rynkedannelse
• mellom et antigen og et antistoff
• mellom et enzym og et substrat
• binding av transkripsjonsfaktorer til DNA

Hydrogenbinding og vann

Hydrogenbindinger står for noen viktige vannkvaliteter. Selv om en hydrogenbinding bare er 5 % så sterk som en kovalent binding, er det nok til å stabilisere vannmolekyler.

• Hydrogenbinding gjør at vann forblir flytende over et bredt temperaturområde.
• Fordi det krever ekstra energi å bryte hydrogenbindinger, har vann en uvanlig høy fordampningsvarme. Vann har et mye høyere kokepunkt enn andre hydrider.

Det er mange viktige konsekvenser av effektene av hydrogenbinding mellom vannmolekyler:

• Hydrogenbinding gjør isen mindre tett enn flytende vann, altså isen flyter på vannet .
• Effekten av hydrogenbinding på varme av fordampning bidrar til å gjøre svette til et effektivt middel for å senke temperaturen for dyr.
• Effekten på varmekapasiteten betyr at vann beskytter mot ekstreme temperaturskifter nær store vannmasser eller fuktige miljøer. Vann hjelper til med å regulere temperaturen på global skala.

Styrken av hydrogenbindinger

Hydrogenbinding er mest signifikant mellom hydrogen og svært elektronegative atomer. Lengden på den kjemiske bindingen avhenger av dens styrke, trykk og temperatur. Bindingsvinkelen avhenger av de spesifikke kjemiske artene som er involvert i bindingen. Styrken til hydrogenbindinger varierer fra svært svake (1–2 kJ mol−1) til veldig sterke (161,5 kJ mol−1). Noen eksempel entalpier i damp er:

F−H…:F (161,5 kJ/mol eller 38,6 kcal/mol)
O−H…:N (29 kJ/mol eller 6,9 kcal/mol)
O−H…:O (21 kJ/mol eller 5,0 kcal/mol)
N−H…:N (13 kJ/mol eller 3,1 kcal/mol)
N−H…:O (8 kJ/mol eller 1,9 kcal/mol)
HO − H...: OH₃⁺(18 kJ/mol eller 4,3 kcal/mol)

_Referanser

_{Larson, J.W.; McMahon, T.B. (1984). 'Bihalogenid- og pseudobihalogenidioner i gassfase. En ionesyklotronresonansbestemmelse av hydrogenbindingsenergier i XHY- arter (X, Y = F, Cl, Br, CN)'. Uorganisk kjemi 23 (14): 2029–2033.}

_{Emsley, J. (1980). 'Svært sterke hydrogenbindinger'. Chemical Society Anmeldelser 9 (1): 91–124.
Omer Markovitch og Noam Agmon (2007). 'Struktur og energi til hydronium-hydreringsskallene'. J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253–2256.}