De meeste mensen voelen zich op hun gemak bij het idee van ionische en covalente bindingen, maar weten niet zeker wat waterstofbruggen zijn, hoe ze zich vormen en waarom ze belangrijk zijn.
Belangrijkste afhaalrestaurants: waterstofbruggen
- Een waterstofbrug is een aantrekkingskracht tussen twee atomen die al deelnemen aan andere chemische bindingen. Een van de atomen is waterstof, terwijl de andere elk elektronegatief atoom kan zijn, zoals zuurstof, chloor of fluor.
- Waterstofbindingen kunnen ontstaan tussen atomen binnen een molecuul of tussen twee afzonderlijke moleculen.
- Een waterstofbrug is zwakker dan een ionische binding of een covalente binding, maar sterker dan van der Waals-krachten.
- Waterstofbruggen spelen een belangrijke rol in de biochemie en produceren veel van de unieke eigenschappen van water.
Definitie van waterstofbruggen
Een waterstofbrug is een soort aantrekkelijke (dipool-dipool) interactie tussen een elektronegatief atoom en een waterstof atoom gebonden naar een ander elektronegatief atoom. Bij deze binding is altijd een waterstofatoom betrokken.
Waterstofbruggen kan voorkomen tussen moleculen of binnen delen van een enkel molecuul.Een waterstofbrug is meestal sterker dan van der Waals krachten, maar zwakker dan covalente obligaties of Ionische bindingen. Het is ongeveer 1 / 20e (5%) de sterkte van de covalente binding gevormd tussen O-H. Maar zelfs deze zwakke binding is sterk genoeg om lichte temperatuurschommelingen te weerstaan.
Maar de atomen zijn al gebonden
Hoe kan waterstof worden aangetrokken door een ander atoom als het al gebonden is? In een polaire binding, de ene kant van de binding oefent nog steeds een lichte positieve lading uit, terwijl de andere kant een lichte negatieve elektrische lading heeft. Het vormen van een binding neutraliseert het elektrische karakter van de deelnemende atomen niet.
Voorbeelden van waterstofbruggen
Waterstofbindingen worden gevonden in nucleïnezuren tussen basenparen en tussen watermoleculen. Dit type binding vormt ook tussen waterstof- en koolstofatomen van verschillende chloroformmoleculen, tussen waterstof en stikstof atomen van naburige ammoniakmoleculen, tussen herhalende subeenheden in het polymeer nylon en tussen waterstof en zuurstof in acetylaceton. Veel organische moleculen zijn onderhevig aan waterstofbruggen. Waterstofbinding:
- Help transcriptiefactoren aan DNA te binden
- Antigeen-antilichaambinding ondersteunen
- Organiseer polypeptiden in secundaire structuren, zoals alfa-helix en bètablad
- Houd de twee DNA-strengen bij elkaar
- Koppel transcriptiefactoren aan elkaar
Waterstofbinding in water
Hoewel waterstofbruggen ontstaan tussen waterstof en elk ander elektronegatief atoom, zijn de bindingen in water de meest alomtegenwoordige (en sommigen beweren de belangrijkste). Waterstofbruggen vormen tussen naburige watermoleculen wanneer de waterstof van één atoom tussen de zuurstofatomen van zijn eigen molecuul en die van zijn buur komt. Dit gebeurt omdat het waterstofatoom wordt aangetrokken door zowel zijn eigen zuurstof als andere zuurstofatomen die dichtbij genoeg komen. De zuurstofkern heeft 8 "plus" ladingen, dus trekt hij met zijn enkele positieve lading beter elektronen aan dan de waterstofkern. Naburige zuurstofmoleculen kunnen dus waterstofatomen van andere moleculen aantrekken, wat de basis vormt voor de vorming van waterstofbruggen.
Het totale aantal tussen watermoleculen gevormde waterstofbruggen is 4. Elk watermolecuul kan 2 waterstofbruggen vormen tussen zuurstof en de twee waterstofatomen in het molecuul. Tussen elk waterstofatoom en nabijgelegen zuurstofatomen kunnen nog twee bindingen worden gevormd.
Een gevolg van waterstofbruggen is dat waterstofbruggen de neiging hebben om zich in een tetraëder rond elk watermolecuul te schikken, wat leidt tot de bekende kristalstructuur van sneeuwvlokken. In vloeibaar water is de afstand tussen aangrenzende moleculen groter en is de energie van de moleculen hoog genoeg dat waterstofbruggen vaak worden uitgerekt en verbroken. Maar zelfs vloeibare watermoleculen komen gemiddeld tot een tetraëdrische opstelling. Door waterstofbruggen wordt de structuur van vloeibaar water geordend bij lagere temperatuur, ver boven die van andere vloeistoffen. Waterstofbinding houdt watermoleculen ongeveer 15% dichterbij dan wanneer de bindingen niet aanwezig waren. De bindingen zijn de belangrijkste reden waarom water interessante en ongebruikelijke chemische eigenschappen vertoont.
- Waterstofbinding vermindert extreme temperatuurverschuivingen in de buurt van grote watermassa's.
- Door waterstofbruggen kunnen dieren zichzelf afkoelen met transpiratie, omdat er zoveel warmte nodig is om waterstofbruggen tussen watermoleculen te verbreken.
- Waterstofbinding houdt het water in vloeibare toestand over een breder temperatuurbereik dan voor elk ander molecuul van vergelijkbare grootte.
- De hechting geeft water een uitzonderlijk hoge verdampingswarmte, wat betekent dat er veel thermische energie nodig is om vloeibaar water in waterdamp te veranderen.
Waterstofbindingen binnen zwaar water zijn zelfs sterker dan die in gewoon water gemaakt met normale waterstof (protium). De waterstofbinding in getritieerd water is nog sterker.