تعریف پیوند هیدروژنی و انواع آن:
شیمیدانان متوجه شدند که در برخی از ترکیبات هیدروژن دار، جاذبه بین مولکولی به طور غیر عادی قوی می باشد.
تحقیقات نشان داد که در این ترکیبات بین اتم هیدروژن و اتم دیگری که اندازه ای کوچک اما الکترونگاتیویته زیاد دارد یک پیوند تشکیل شده است که آن پیوند را پیوند هیدروژنی (Hydrogen bond) نامیدند. قدرت این پیوند نسبت به نیروهای واندروالسی بیشتر اما نسبت به پیوندهای کووالانسی و یونی ضعیف تر می باشد.
پیوند هیدروژنی در واقع یک برهمکنش غیر کووالانسی و جاذبه ای بین یک دهنده پروتون (X-H) و یک پذیرنده پروتون (Y) در همان مولکول یا مولکول دیگر می باشد که به صورت X-H···Y نمایش داده می شود.
بر اساس تعریف مرسوم، اتم H متصل به اتم های الکترونگاتیو مانند نیتروژن، اکسیژن و فلوئور می باشد، و اتم Y یک گروه الکترونگاتیو یا یک گروه دارای الکترون اضافی است. توجه داشته باشید که این پیوند، پیوندی جدا از پیوند های دوقطبی - دو قطبی نیست، بلکه یکی از انواع آن می باشد.
نحوه تشکیل:
به طور کلی پیوند هیدروژنی در اثر نیرو های جاذبه بین بار های الکتریکی مخالف کوچک به وجود می آید. در پیوند X-H، اتم الکترونگاتیوتر X الکترون های پیوندی را به سمت خود کشیده و آنها را از اتم هیدروژن دور می کند. بنابراین سبب ایجاد بار مثبت قابل توجه بر روی اتم هیدروژن می گردد.
اتم هیدروژن این مولکول و زوج الکترون غیر پیوندی مولکول دیگر، همدیگر را جذب کرده و پیوند هیدرژنی تشکیل می شود.
اگر اختلاف الکترونگاتیویته بین دو اتم زیاد نباشد، پیوند تشکیل نمی شود. به عنوان مثال به دلیل اختلاف الکترونگاتیویته کم بین دو اتم فسفر و هیدروژن، مولکول PH3 برخلاف مولکول NH3 توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی را ندارد.
توجه داشته باشید که به دلیل کوچک بودن اتم هیدروژن، تنها قادر است یک پیوند هیدروژنی تشکیل دهد. علاوه بر آن، جا به جا شدن الکترون های پیوندی به سمت عنصر الکترونگاتیوتر (X) باعث می شود که این اتم دارای بار جزئی منفی شود. بنابراین خود اتم X نیز می تواند درگیر این پیوند شود.
اگر بخواهیم این پیوند را توصیف کنیم، می توان گفت که در این پیوند، هیدروژن همانند پلی به دو اتم الکترونگاتیو متصل شده است.
به عنوان مثال همان حالت X-H···Y را در نظر بگیرید. در این ساختار اتم هیدروژن از یک سمت به طور کوالانسی با اتم الکترونگاتیو X و از طرف دیگر به طور الکترواستاتیکی (جاذبه مثبت - منفی) با اتم الکترونگاتیو دیگر (Y) پیوند داده است.
عوامل موثر بر قدرت پیوند هیدروژنی:
شناخت عوامل موثر بر قدرت پیوند هیدروژنی در زمینه های مختلف اهمیت زیادی دارد. هرچه الکترونگاتیویته اتم متصل به اتم هیدروژن بالاتر باشد، پیوند حاصله قوی تر می باشد.
زیرا هرچه الکترونگاتیویته اتم متصل به هیدروژن بیشتر باشد، سبب می شود که بار مثبت بر روی اتم هیدروژن زیادتر گردد. بنابراین زوج الکترون مولکول دیگر را با شدت بیشتری جذب می کند.
به عنوان مثال الکترونگاتیویته اتم اکسیژن بالاتر از اتم نیتروژن می باشد، بنابراین پیوند تشکیل شده به وسیله اتم اکسیژن در مقایسه با اتم نیتروژن قوی تر است. بر همین اساس اتم فلوئور که الکترونگاتیوترین عنصر شناخته شده می باشد، قویترین پیوند هیدروژنی را تشکیل می دهد.
کوچک بودن اتم های متصل به هیدروژن نیز در قدرت پیوند تأثیر گذار است. به عنوان مثال، الکترونگاتیویته اتم های نیتروژن و کلر نزدیک به هم می باشد، اما به دلیل بزرگ تر بودن اتم کلر نسبت به اتم نیتروژن، کلر پیوند ضعیف تری را تشکیل می دهد. البته کوچک بودن اندازه اتم هیدروژن نیز بی تأثیر نیست. زیرا باعث می شود که ملکول دوم بتواند راحت تر به هیدروژن نزدیک شود.
عوامل دیگری از جمله شکل هندسی مولکول، فاصله دو اتم الکترونگاتیو از یکدیگر، طول پیوند X-H، طول پیوند هیدروژنی H···Y، زاویه پیوندی XHY و همچنین قدرت اسیدی و بازی گروه های پروتون دهنده و پروتون گیرنده بر قدرت پیوند هیدروژنی تأثیر گذار هستند.
انواع پیوند هیدروژنی:
به طور کلی دهنده و پذیرنده پیوند هیدروژنی می توانند از یک مولکول یا دو مولکول باشند. در حالت اول پیوند هیدروژنی درون مولکولی و حالت دوم پیوند هیدروژنی بین مولکولی تشکیل می شود. یک دسته دیگر از پیوند داریم که به پیوند هیدروژنی نا متداول معروفند. در ادامه به بررسی این نوع پیوند هم خواهیم پرداخت.
پیوند هیدروژنی درون مولکولی:
در پیوند های هیدروژنی درون مولکولی (Intramolecular Hydrogen Bonds)، دهنده و پذیرنده پیوند در یک مولکول واحد و در نزدیکی هم وجود دارند. این مولکول باید به قدر کافی بزرگ باشد که بتواند روی خود خم شده تا پیوند تشکیل شود.
بنابراین مشخص است که پیوند هیدروژنی درون مولکولی یک پیوند خمیده خواهد بود. این پیوند، نقش بسیار مهمی در شکل گیری و پایداری مولکول دارد.
به طور مثال، در مولکول اورتو نیترو فنول (ortho nitrophenol)، به دلیل نزدیکی گروه های دهنده و پذیرنده پیوند، پیوند هیدروژنی درون مولکولی تشکیل می شود، اما در مولکول پارا نیترو فنول (para nitrophenol) همچین امکانی وجود ندارد.
پیوند هیدروژنی بین مولکولی:
در پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی (Intermolecular Hydrogen Bonds)، دهنده و پذیرنده پیوند در دو مولکول شبیه به هم و یا در دو مولکول متفاوت وجود دارند. برای تشکیل پیوند باید شرایط گفته شده در بخش نحوه تشکیل پیوند وجود داشته باشد. پیوند تشکیل شده خطی یا تقریبا خطی است.
به عنوان نمونه از دو مولکولی که شبیه هم هستند می توان به پیوند بین دو مولکول آب، بین دو مولکول مولکول پارا نیترو فنول و یا بین دو مولکول آمونیاک اشاره کرد. پیوند بین مولکول های آب و آمونیاک و یا پیوند بین مولکول های آب و الکل، بین مولکول های غیر شبیه تشکیل شده است.
پیوند هیدروژنی نا متداول:
در این نوع پیوند، گروه های دهنده و پذیرنده پیوند با گروه های شرکت کننده در پل های هیدروژنی کلاسیک کاملا تفاوت دارند. در واقع، سه دسته از پیوند های هیدروژنی نامتداول (unusual hydrogen bonds) پیشنهاد شده است که عبارتند از:
خواص ترکیبات دارای پیوند هیدروژنی:
ترکیباتی که در آنها مولکول ها از طریق این پیوند به یکدیگر متصل اند، نقطه جوش، نقطه ذوب آنتالپی تبخیر، آنتالپی ذوب وگرانروی (ویسکوزیته) بالایی دارند.
تأثیر پیوند هیدروژنی بر نقطه جوش:
اگر ترکیبات هیدروژن دار عناصر گروه چهارم (CH4، SiH4، GeH4 و SnH4) را در نظر بگیرید، مشخص می شود که نقاط جوش با افزایش اندازه مولکولی زیاد می شود. این ترکیبات غیر قطبی اند، بنابراین تغییرات نقاط جوش بر طبق روال پیش بینی شده برای ترکیبات با نیرو های بین مولکولی لاندن مطابق است.
در ترکیبات هیدروژن دار عناصر گروه های پنجم، ششم و هفتم نقطه جوش نخستین عضو هر گروه به طور غیر عادی بالاتر از سایر ترکیبات آن گروه است. وجود پیوند هیدروژنی در ترکیبات NH3، H2O و HF باعث گردیده که مولکول ها از مایع سخت تر جدا شوند، بنابراین نقطه جوش بالاتر رود. در ترکیب آب به دلیل تعداد بیشتر پیوند هیدروژنی نسبت به HF، نقطه جوش بیشتر می باشد.
تأثیر پیوند هیدروژنی بر نقطه ذوب:
همان تأثیری که این پیوند بر نقطه جوش دارد را می توان به طور مشابه بر روی نقطه ذوب نیز دید. در واقع وجود نیروی جاذبه قوی تر از نیروی جاذبه دوقطبی-دوقطبی سبب بالاتر رفتن نقطه ذوب این ترکیبات نسبت به سایر ترکیبات می شود.
تأثیر پیوند هیدروژنی بر گرانروی:
ترکیباتی که پیوند هیدروژنی تشکیل می دهند، گرانروی بیشتری نسبت به سایر ترکیبات دارند. همچنین، با افزایش تعداد این پیوندهای تشکیل شده، گرانروی بیشتری خواهند داشت.
اهمیت و کاربرد پیوند هیدروژنی:
پیوند هیدروژنی یکی از برهمکنش هایی است که به طور گسترده در علوم فیزیک، شیمی، بیو شیمی و زیست مورد مطالعه قرار گرفته است و در بسیاری از فرآیند های مهم طبیعی نقش و اهمیت فوق العاده ای دارد. در این بخش به اهمیت و کاربرد این پیوند می پردازیم.
این پیوند در ساختار سه بعدی مولکول هایی نظیر DNA، RNA، قند ها، پروتئین ها و و لیپیدها نقش اساسی دارد. همچنین در سیستم انتقال آب در گیاهان نیز می توان حضور آن را دید. از طرفی برخی از خواص منحصر به فرد آب به دلیل وجود پیوند هیدروژنی بین مولکول های آب می باشد. در ادامه به توضیحی مختصر درباره این موارد می پردازیم.
پیوند هیدروژنی در مولکول های DNA و RNA:
پیوند هیدروژنی یکی از مهم ترین عوامل پایداری مارپیچ دوگانه مولکول های DNA و RNA می باشد. مولکول بزرگ DNA از چهار نوکلئوتید تیمین (T)، گوانین (G)، سیتوزین (C) و آدنین (A) تشکیل شده است. در ساختار RNA نوکلئوتید یوراسیل (U) به جای نوکلئوتید تیمین قرار دارد.
برای تشکیل ساختمان مارپیچ DNA، دو رشته مکمل به گونه ای رو به روی هم قرار می گیرند که نوکلئوتید C با G و نوکلئوتید A با T بتوانند پیوند هیدروژنی تشکیل دهند. در واقع آنچه که سبب می شود دو رشته DNA متصل و در هم تنیده باقی بمانند این پیوند است.
پیوند هیدروژنی در پروتئین ها:
پروتئین ها از روی DNA سنتز می شوند. گروه های C=O و NH در ساختار پروتئین، پیوند هیدروژنی تشکیل می دهند و سبب پایداری پروتئین می گردند. در واقع می توان گفت که این پیوند کنترل ساختار پروتئین، پیچ خوردن، صفحه ای شدن، خاصیت کاتالیزوری آنزیم ها و خواص دیگر آنها را بر عهده دارد.
پیوند هیدروژنی در آب:
یک نمونه بسیار خوب از پیوند های هیدروژنی، مولکول آب می باشد. در واقع تمام خواص شگفت انگیز و غیر عادی آب، از این پیوند های میان مولکول های آن سرچشمه می گیرد. زمانیکه مولکول های آب در کنار هم قرار می گیرند، میان اتم هیدروژن از یک مولکول و اتم اکسیژن از مولکول دیگر پیوند هیدروژنی تشکیل می شود.
اتم اکسیژن در مولکول آب، دو الکترون ناپیوندی لایه ظرفیت خود را با دو اتم هیدروژن از دو مولکول آب دیگر به اشتراک می گذارد. از طرفی دیگر، همین مولکول آب، دو اتم هیدروژن با بار جزئی مثبت دارد که می توانند با اتم های اکسیژن دو مولکول آب دیگر که در اطرافش وجود دارند پیوند تشکیل دهند. بنابراین، هر مولکول آب توانایی تشکیل 4 پیوند هیدروژنی با مولکول های آب اطراف خود را دارد.
همان طور که بیان شد، پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب، خواص ویژه ای به آن می بخشند، تأثیر این پیوند بر نقطه جوش، نقطه ذوب و ویسکوزیته در بخش قبلی بررسی شد. در این قسمت بعضی دیگر از خواص ویژه آب بررسی می شوند.
شناور بودن یخ:
در حالت مایع، مولکول های آب دائما در حال حرکت می باشند، بنابراین پیوند های هیدروژنی بین آن ها مرتبا در حال تغییر و تبدیل اند. در واقع این پیوند ها، شکسته شده و دوباره تشکیل می شوند.
با افزایش دما، انرژی جنبشی مولکول ها نیز افزایش می یابد، پس تعداد پیوند های هیدروژنی کم می شود. فقط در حالت جامد (یخ) است که انرژی جنبشی مولکول ها به حداقل خود رسیده، بنابراین چهار پیوند هیدروژنی بین مولکول های آب تشکیل می شود.
چگالی آب با دما تغییر می کند که این تغییر در 4 درجه به حداکثر میزان خود می رسد. به علت تشکیل حفره های تو خالی در شبکه کریستالی یخ، حجم یخ بیشتر می شود. بنابراین با کمتر بودن چگالی یخ نسبت به آب، یخ در سطح آب شناور می شود. تصور کنید که چگالی یخ بیشتر از آب بود، در این صورت آب کف دریا ها و رودخانه ها یکپارچه منجمد می شد. بنابراین تمام موجودات کف آب از بین می رفتند.
ظرفیت گرمایی آب:
به دلیل تشکیل پیوند های هیدروژنی، آب ظرفیت گرمایی بسیار بالایی دارد. در واقع می تواند بدون اینکه درجه حرارتش تغییر کند گرمای زیادی را جذب کند و یا از دست بدهد. گرمای ویژه آب سبب می شود که دمای کره زمین در محدوده قابل حیات تنظیم شود.
گرمای نهان آب:
به دلیل تشکیل پیوند های هیدروژنی، آب گرمای نهان بالایی دارد. گرمای نهان به انرژیی گفته می شود که مقدار معینی از جسم (مثلا یک گرم و یا یک مول) می گیرد و بدون تغییر دما از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود.
آب به عنوان حلال:
همان طور که می دانید آب یک حلال بسیار مناسب برای ترکیب های قطبی و یونی است. همچنین تعدادی از مواد را به کمک این پیوند ها در خود حل می کند. نکته جالب توجه اینجاست که در نتیجه حفره های به وجود آمده از پیوند های هیدروژنی می تواند گازهایی نظیر اکسیژن و دی اکسید کربن را نیز گیر بیاندازد.
قابلیت انحلال پذیری در آب همچنین در برخی آنیون های اکسیژن دار (مثلا -SO42) نیز دیده می شود. قضیه در مورد کاتیون ها کمی متفاوت است. شرط تشکیل این پیوند، بین یک کاتیون و آب اینست که کاتیون دارای اتم های هیدروژن باشد (مانند کاتون +NH4).
کشش سطحی آب:
بین مولکول های آب سطح رودخانه پیوند های هیدروژنی تشکیل می شود، بنابراین یک لایه به هم پیوسته و نسبتا محکم در سطح آب ایجاد می گردد.
این پدیده به نام کشش سطحی شناخته شده است. این خاصیت باعث ایستادن حشرات در روی سطح آب و همچنین بالا رفتن آب از لوله های موئین می شود. توجه داشته باشید که با افزایش دمای آب به دلیل کم شدن تعداد این پیوند ها، کشش سطحی آب کاهش می یابد.
پیوند هیدروژنی و انحلال پذیری:
بعضی از ترکیبات حاوی اتم های اکسیژن، نیتروژن و فلور (به عنوان مثال آمونیاک و متانول) به دلیل تشکیل پیوندهای هیدروژنی در برخی حلال های هیدروژن دار از جمله آب، به راحتی حل می شوند.
دیگر کاربرد های پیوند هیدروژنی:
پیوندهای هیدروژنی در بسیاری از مواد دیگر نیز یافت می شوند. به عنوان مثال در هیدروژن فلوراید (HF)، کلروفرم (CH3Cl)، استیل استون (C5H8O2)، مولکول اوره (CH₄N₂O) پلیمرها و نایلون ها این پیوند تشکیل می شود.
مقایسه انرژی پیوند هیدروژنی با سایر پیوند ها:
همان طور که قبلا بیان شد قدرت پیوندهای هیدروژنی از پیوند های یونی و کووالانسی ضعیف تر و از برهمکنش های واندروالس قوی تر می باشد.
به عنوان مثال انرژی پیوند در پیوند های هیدروژنی در محدوده 50-5 کیلو ژول بر مول است. درحالی که انرژی پیوند پیوند های کووالانسی در حدود 100-1100 کیلو ژول بر مول و در نیروهای واندروالس تقریبا 4 کیلو ژول بر مول می باشد.
|
|
|
|
| نماد اعتماد الکترونیک | نشان ملی ثبت | گواهی شامد ارشاد |
© کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت متعلق به داده پردازان هومان پویان می باشد.
