Wat veroorzaakt waterstofbinding?

Waterstofbinding vindt plaats tussen een waterstofatoom en een elektronegatief atoom (bijvoorbeeld zuurstof, fluor, chloor). De binding is zwakker dan een ionische binding of een covalente binding, maar sterker dan van der Waals-krachten (5 tot 30 kJ / mol). Een waterstofbinding wordt geclassificeerd als een type zwakke chemische binding.

Waarom waterstofbruggen vormen

De reden dat waterstofbinding optreedt, is omdat het elektron niet gelijkmatig wordt gedeeld tussen een waterstofatoom en een negatief geladen atoom. Waterstof in een binding heeft nog steeds slechts één elektron, terwijl er twee elektronen nodig zijn voor een stabiel elektronenpaar. Het resultaat is dat het waterstofatoom een ​​zwakke positieve lading draagt, dus het blijft aangetrokken tot atomen die nog steeds een negatieve lading dragen. Om deze reden vindt waterstofbinding niet plaats in moleculen met niet-polaire covalente bindingen. Elke verbinding met polaire covalente bindingen kan waterstofbindingen vormen.

Voorbeelden van waterstofbruggen

Waterstofbindingen kunnen zich vormen binnen een molecuul of tussen atomen in verschillende moleculen. Hoewel een organisch molecuul niet vereist is voor waterstofbinding, is het fenomeen uiterst belangrijk in biologische systemen. Voorbeelden van waterstofbinding omvatten:

• tussen twee watermoleculen
• twee strengen DNA bijeenhouden om een ​​dubbele helix te vormen
• versterkende polymeren (bijv. herhalende eenheid die helpt bij het kristalliseren van nylon)
• het vormen van secundaire structuren in eiwitten, zoals alfa-helix en beta-geplooide plaat
• tussen vezels in stof, wat kan leiden tot rimpelvorming
• tussen een antigeen en een antilichaam
• tussen een enzym en een substraat
• binding van transcriptiefactoren aan DNA

Waterstofbinding en water

Waterstofbindingen zijn verantwoordelijk voor enkele belangrijke kwaliteiten water. Hoewel een waterstofbinding slechts 5% zo sterk is als een covalente binding, is het voldoende om watermoleculen te stabiliseren.

• Waterstofbinding zorgt ervoor dat water vloeibaar blijft over een breed temperatuurbereik.
• Omdat het extra energie kost om waterstofbruggen te verbreken, heeft water een ongewoon hoge verdampingswarmte. Water heeft een veel hoger kookpunt dan andere hydriden.

Er zijn veel belangrijke gevolgen van de effecten van waterstofbruggen tussen watermoleculen:

• Waterstofbinding maakt ijs minder dicht dan vloeibaar water, dus drijft ijs op water.
• Het effect van waterstofbinding op verdampingswarmte helpt transpiratie tot een effectief middel om de temperatuur voor dieren te verlagen.
• Het effect op de warmtecapaciteit betekent dat water beschermt tegen extreme temperatuurverschuivingen in de buurt van grote waterlichamen of vochtige omgevingen. Water helpt de temperatuur op wereldschaal te reguleren.

Sterkte van waterstofbruggen

Waterstofbinding is het meest significant tussen waterstof en sterk elektronegatieve atomen. De lengte van de chemische binding hangt af van de sterkte, druk en temperatuur. De bindingshoek hangt af van de specifieke chemische soort die bij de binding betrokken is. De sterkte van waterstofbruggen varieert van zeer zwak (1-2 kJ mol − 1) tot zeer sterk (161,5 kJ mol − 1). Enkele voorbeelden van enthalpieën in damp zijn:

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

_Referenties

_{Larson, J. W .; McMahon, T. B. (1984). "Gasfase bihalide- en pseudobihalide-ionen. Een ioncyclotronresonantiebepaling van waterstofbindingsenergieën in XHY-soorten (X, Y = F, Cl, Br, CN)". Anorganic Chemistry 23 (14): 2029-2033.}

_{Emsley, J. (1980). "Zeer sterke waterstofbruggen". Chemical Society Reviews 9 (1): 91-124.
Omer Markovitch en Noam Agmon (2007). "Structuur en energetica van de hydronium hydratatieschalen". J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253-2256.}