پیوند های هیدروژنی

پیوند های هیدروژنی بین مولکول هایی ایجاد می شود که در آن اتم های هیدروژن به اتم های الکترونگاتیو بسیار قوی (مانند فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن) پیوند می خورند.
پیوند اتمی بین اتم های به شدت الکترونگاتیو و اتم های هیدروژن به شدت قطبی شده است زیرا اتم های فلوئور، اکسیژن و نیتروژن به شدت جذب جفت های الکترون پیوندی می شوند. در نتیجه، کمبود الکترون در اتم‌های هیدروژن با پیوند کووالانسی وجود دارد، به طوری که این اتم‌ها تا حدی بار مثبت دارند و با جفت‌های تک الکترون‌های اتم‌های الکترونگاتیو دیگر برهمکنش می‌کنند.

اگرچه پیوندهای هیدروژنی ضعیف تر از پیوندهای اتمی معمولی هستند، اما تأثیر جدی بر خواص ماده دارند. که می شود اب با جرم مولی 18 گرم بر مول، با وجود ویژگی دوقطبی مولکول آب، مایع نخواهد بود مگر اینکه بسیاری از مولکول های آب توسط پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل شده باشند. این امر انتقال فاز از آب مایع به بخار آب گازی را دشوارتر می کند.

نه تنها فرار مواد مایع، بلکه ساختار مواد جامد نیز تحت تأثیر پیوندهای هیدروژنی است. شناخته شده ترین مثال در اینجا آب است که در صورت یخ زدن می تواند ساختارهای مختلفی را تشکیل دهد. رایج ترین اصلاح آن است بستنی معمولی. در آن، هر اتم اکسیژن به صورت چهار وجهی توسط چهار اتم هیدروژن احاطه شده است. دو اتم هیدروژن در مولکول آب پیوند کووالانسی دارند، در حالی که پیوندهای هیدروژنی با طول پیوند کمی بیشتر به دو اتم دیگر تشکیل می شود. این آرایش منجر به ساختار شبکه‌ای پهن می‌شود، به طوری که چگالی یخ کمتر از چگالی آب مایع است. این ملک از جمله متعلق به ناهنجاری آب ، که در طبیعت از اهمیت بالایی برخوردار است. برای مثال، این واقعیت که بدنه‌های آبی در زمستان یخ می‌زنند، هوازدگی سنگ‌ها و آب و هوای معتدل در مناطق اطراف گلف استریم نیز در نهایت بر اساس پیوندهای پل هیدروژنی بین مولکول‌های آب است.

پیوندهای هیدروژنی حتی در انتقال کد ژنتیکی موجودات زنده نقش دارند. را اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA) به عنوان یک حامل به شکل یک مارپیچ دوگانه پیچ خورده (انیمیشن) است. دو رشته مارپیچ توسط پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل می شوند. واحدهای سازنده DNA، نوکلئوتیدها، به گونه ای ساخته شده اند که تنها ترکیب خاصی از نوکلئوتیدها امکان پذیر است. از آنجایی که فقط سیتوزین با گوانین و تیمین با آدنین مطابقت دارد، کد ژنتیکی به طور ایمن در توالی این بازها در زنجیره نوکلئوتیدی ذخیره می شود. برای انتقال اطلاعات ژنتیکی، پیوندهای هیدروژنی شکسته شده و یک کپی دقیق از DNA ساخته می شود. در یک توالی پیچیده از واکنش های بیوشیمیایی، این در نهایت منجر به پروتئین ها به عنوان اجزای سلول می شود.

با توجه به این مثال ها (ناهنجاری آب، ساختار پروتئین ها، DNA) مشخص می شود که پیوندهای هیدروژنی برای زندگی روی زمین اهمیت اساسی دارند. اما این نیروهای بین مولکولی ویژه نقش مهمی در واکنش‌های اسید-باز، اتصال رنگ‌ها به منسوجات و بسیاری از فرآیندهای شیمیایی دیگر دارند.

سیستم الکترونی مولکول ها تحت تأثیر میدان الکتریکی خارجی جابجا می شود. به این ترتیب، حتی مولکول های ذاتا غیر قطبی نیز دوقطبی می شوند. یکی از القایی صحبت می کند لحظه دوقطبی ، که حتی تحت تأثیر میدان الکتریکی یک دوقطبی دائمی دیگر تشکیل می شود. این دوقطبی های مختلف همدیگر را جذب می کنند.

حتی ذرات کاملا غیر قطبی مانند مولکول های هیدروژن یا اتم های هلیوم با یکدیگر برهم کنش دارند. در نتیجه توزیع‌های نامتقارن کوتاه‌مدت ابرهای الکترونی، همچنین اتفاق می‌افتد که ذرات معمولی غیرقطبی برای مدت کوتاهی به گشتاورهای دوقطبی القا می‌شوند. این منجر به گشتاورهای دوقطبی القایی موقت بیشتر از ذرات همسایه می شود که یکدیگر را ضعیف جذب می کنند. این یک فرآیند پویا است زیرا لحظات دوقطبی دائما در حال تغییر هستند.
هر چه سیستم الکترونی اتم ها یا مولکول ها بزرگتر باشد، تغییر شکل آن آسان تر است. به همین دلیل، برای مثال، اتم های زنون می توانند با گشتاور دوقطبی بالاتری نسبت به اتم های هلیوم القا شوند، به طوری که زنون نقطه جوش بالاتری نسبت به هلیوم دارد. با توجه به نیروهای VAN DER WAALS بین مولکول های غیر قطبی، گازهای نجیب را می توان در دمای پایین به مایع تبدیل کرد.