Wat veroorzaakt waterstofbruggen?

Waterstofbinding treedt op tussen a waterstof atoom 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 waterstofbrug wordt geclassificeerd als een soort zwakke chemische binding.

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

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 waterstofbruggen zijn:

• tussen twee watermoleculen
• twee DNA-strengen bij elkaar houden 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 bèta-plissével
• tussen vezels in stof, wat kan resulteren in rimpelvorming
• tussen een antigeen en een antilichaam
• tussen een enzym en een substraat
• binding van transcriptiefactoren aan DNA

Waterstofbruggen zijn verantwoordelijk voor enkele belangrijke eigenschappen van water. Hoewel een waterstofbrug slechts 5% zo sterk is als een covalente binding, volstaat het om watermoleculen te stabiliseren.

• Door waterstofbruggen blijft water over een breed temperatuurbereik vloeibaar.
• 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:

• Door waterstofbruggen is ijs minder dicht dan vloeibaar water ijs drijft op water.
• Het effect van waterstofbruggen op warmte van verdamping helpt transpiratie een effectief middel te maken om de temperatuur voor dieren te verlagen.
• Het effect op de warmtecapaciteit betekent dat water beschermt tegen extreme temperatuurschommelingen in de buurt van grote hoeveelheden water of vochtige omgevingen. Water helpt de temperatuur op wereldschaal te reguleren.

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 soorten die bij de binding betrokken zijn. De sterkte van waterstofbruggen varieert van zeer zwak (1–2 kJ mol − 1) tot zeer sterk (161,5 kJ mol − 1). Een voorbeeld enthalpie 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 ion cyclotron resonantie bepaling van waterstofbinding energieën in XHY-soorten (X, Y = F, Cl, Br, CN) ". Anorganische chemie 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.}