science >> Wetenschap >  >> anders

Wat veroorzaakt waterstofbinding?

Waterstofbinding is een belangrijk onderwerp in de chemie en het ondersteunt het gedrag van veel van de stoffen waarmee we dagelijks omgaan, vooral water. Het begrijpen van waterstofbruggen en de reden waarom het bestaat, is een belangrijke stap in het begrijpen van intermoleculaire binding en chemie in het algemeen. Waterstofbinding wordt uiteindelijk veroorzaakt door het verschil in netto elektrische lading in sommige delen van specifieke moleculen. Deze geladen delen trekken andere moleculen met dezelfde eigenschappen aan.

TL; DR (Te lang; niet gelezen)

Waterstofbinding wordt veroorzaakt door de neiging van sommige atomen in moleculen om elektronen aan te trekken meer dan hun begeleidende atoom. Dit geeft het molecuul een permanent dipoolmoment - het maakt het polair - dus het gedraagt ​​zich als een magneet en trekt het tegenovergestelde uiteinde van andere polaire moleculen aan.

Elektronegativiteit en permanente dipool-momenten

Het eigendom van elektronegativiteit veroorzaakt uiteindelijk waterstofbinding. Wanneer atomen covalent aan elkaar zijn gebonden, delen ze elektronen. In een perfect voorbeeld van covalente binding worden de elektronen op dezelfde manier gedeeld, dus de gedeelde elektronen zijn ongeveer halverwege tussen het ene atoom en het andere. Dit is echter alleen het geval wanneer de atomen even effectief zijn in het aantrekken van elektronen. Het vermogen van atomen om de verbindende elektronen aan te trekken staat bekend als elektronegativiteit, dus als elektronen worden gedeeld tussen atomen met dezelfde elektronegativiteit, dan zijn de elektronen gemiddeld ongeveer halverwege tussen die atomen (omdat elektronen continu bewegen).

Als het ene atoom is meer elektronegatief dan het andere, de gedeelde elektronen worden dichter bij dat atoom getrokken. Elektronen zijn echter geladen, dus als ze meer vatbaar zijn voor samenkomen rond het ene atoom dan het andere, beïnvloedt dit de balans van lading van het molecuul. In plaats van elektrisch neutraal te zijn, krijgt het meer elektronegatieve atoom een ​​lichte netto negatieve lading. Omgekeerd eindigt het minder elektronegatieve atoom met een lichte positieve lading. Dit verschil in lading produceert een molecuul met een zogenaamd permanent dipoolmoment en dit worden vaak polaire moleculen genoemd.

Hoe waterstofbindingen werken

Polaire moleculen hebben twee geladen secties binnen hun structuur. Op dezelfde manier als het positieve einde van een magneet het negatieve uiteinde van een andere magneet aantrekt, kunnen de tegenovergestelde uiteinden van twee polaire moleculen elkaar aantrekken. Dit fenomeen wordt waterstofbinding genoemd omdat waterstof minder elektronegatief is dan moleculen waar het vaak mee bindt, zoals zuurstof, stikstof of fluor. Wanneer het waterstofuiteinde van het molecuul met een netto positieve lading in de buurt komt van de zuurstof, stikstof, fluor of een ander elektronegatief uiteinde, is het resultaat een molecuul-molecuulbinding (een intermoleculaire binding), die anders is dan de meeste andere vormen van binding die je tegenkomt in de chemie, en het is verantwoordelijk voor enkele van de unieke eigenschappen van verschillende stoffen.

Waterstofbindingen zijn ongeveer 10 keer minder sterk dan de covalente bindingen die de individuele moleculen bij elkaar houden. Covalente bindingen zijn moeilijk te verbreken omdat dit veel energie vereist, maar waterstofbruggen zijn zwak genoeg om relatief gemakkelijk te worden verbroken. In een vloeistof zijn er veel moleculen die ronddrijven en dit proces leidt tot het verbreken en hervormen van waterstofbruggen wanneer de energie voldoende is. Evenzo breekt het verwarmen van de stof enkele waterstofbruggen af ​​om precies dezelfde reden.

Waterstofbinding in water

Water (H 2O) is een goed voorbeeld van waterstofbinding in actie. Het zuurstofmolecuul is meer elektronegatief dan waterstof en beide waterstofatomen bevinden zich aan dezelfde kant van het molecuul in een "v" -formatie. Dit geeft de zijkant van het watermolecuul met de waterstofatomen een netto positieve lading en de zuurstofzijde een netto negatieve lading. De waterstofatomen van één watermolecule binden zich daarom aan de zuurstofzijde van andere watermoleculen.

Er zijn twee waterstofatomen beschikbaar voor waterstofbinding in water en elk zuurstofatoom kan waterstofbruggen 'accepteren' van twee andere bronnen. Dit houdt de intermoleculaire binding sterk en verklaart waarom water een hoger kookpunt heeft dan ammoniak (waarbij de stikstof slechts één waterstofbrug kan accepteren). Waterstofbinding verklaart ook waarom ijs meer volume inneemt dan dezelfde hoeveelheid water: de waterstofbruggen worden op hun plaats vastgezet en geven het water een meer regelmatige structuur dan wanneer het een vloeistof is.