Kui vaadata keemiateaduse uurimuse kronoloogiat erinevate elementide aatomite võime kohta üksteisega suhelda, võib välja tuua 19. sajandi keskpaiga. Sel ajal juhtisid teadlased tähelepanu asjaolule, et hapniku, fluori ja lämmastiku vesinikuühendeid iseloomustab omaduste rühm, mida võib nimetada anomaalseteks.
Need on esiteks väga kõrged sulamis- ja keemistemperatuurid, näiteks vee või vesinikfluoriidi puhul, mis on kõrgemad kui teistel sarnastel ühenditel. Praegu on juba teada, et nende ainete need omadused on määratud vesinikuaatomite omadusega moodustada ebatavalist tüüpi side elementide aatomitega, millel on kõrge elektronegatiivsusindeks. Nad nimetasid seda vesinikuks. Sideme omadused, selle moodustumise eripära ja näited seda sisaldavatest ühenditest on peamised punktid, millele meie artiklis keskendume.
Ühendamise põhjus
Elektrostaatiliste külgetõmbejõudude toime onenamiku keemiliste sidemete tüüpide ilmnemise füüsikaline alus. Ühe elemendi vastaslaenguga aatomituumade ja teise elektronide vastastikmõjul tekkinud keemiliste sidemete tüübid on hästi teada. Need on kovalentsed mittepolaarsed ja polaarsed sidemed, mis on iseloomulikud mittemetalliliste elementide lihtsatele ja keerukatele ühenditele.
Näiteks suurima elektronegatiivsusega fluori aatomi ja vesiniku elektroneutraalse osakese vahel, mille üheelektroniline pilv kuulus algselt ainult H-aatomile, toimub negatiivselt laetud tiheduse nihe. Nüüd võib vesinikuaatomit ennast õigustatult nimetada prootoniks. Mis saab edasi?
Elektrostaatiline interaktsioon
Vesinikuaatomi elektronpilv liigub peaaegu täielikult fluoriosakese poole ja see omandab liigse negatiivse laengu. Palja, st negatiivse tiheduseta, vesinikuaatomi - prootoni ja naabruses asuva vesinikfluoriidimolekuli F- iooni vahel avaldub elektrostaatiline külgetõmbejõud. See viib molekulidevaheliste vesiniksidemete ilmnemiseni. Selle esinemise tõttu võivad mitmed HF-molekulid korraga moodustada stabiilseid assotsiatsioone.
Vesinikusideme tekkimise põhitingimuseks on suure elektronegatiivsusega keemilise elemendi aatomi ja sellega interakteeruva vesiniku prootoni olemasolu. Seda tüüpi vastastikmõju avaldub kõige enam hapniku- ja fluoriühendites (vesi, vesinikfluoriid), vähem lämmastikku sisaldavates ainetes, nagu ammoniaak, ning veelgi vähem väävli- ja klooriühendites. Näiteid molekulide vahel tekkinud vesiniksidemetest võib leida ka orgaanilistes ainetes.
Seega tekivad alkoholides funktsionaalsete hüdroksüülrühmade hapniku- ja vesinikuaatomite vahel ka elektrostaatilised külgetõmbejõud. Seetõttu on juba esimesed homoloogse seeria esindajad - metanool ja etüülalkohol - vedelikud, mitte gaasid, nagu ka teised selle koostise ja molekulmassiga ained.
Kommunikatsioonile iseloomulik energia
Võrdleme kovalentsete (40–100 kcal/mol) ja vesiniksidemete energiaintensiivsust. Allpool toodud näited kinnitavad järgmist väidet: vesiniku tüüp sisaldab fluoriühendites ainult 2 kcal/mol (ammooniumdimeeride vahel) kuni 10 kcal/mol energiat. Kuid osutub piisavaks, et mõne aine osakesed saaksid seostuda assotsieerunud aineteks: dimeerideks, tetra- ja polümeerideks - paljudest molekulidest koosnevateks rühmadeks.
Need ei ole mitte ainult ühendi vedelas faasis, vaid võivad säilida lagunemata, kui nad lähevad gaasilisse olekusse. Seetõttu põhjustavad vesiniksidemed, mis hoiavad molekule rühmades, ammoniaagi, vee või vesinikfluoriidi ebanormaalselt kõrget keemis- ja sulamistemperatuuri.
Kuidas veemolekulid seostuvad
Nii anorgaanilistel kui orgaanilistel ainetel on mitut tüüpi keemilisi sidemeid. Keemiline side, mis tekib polaarsete osakeste omavahelisel liitumisel ja mida nimetatakse molekulidevaheliseks vesinikuks, võib radikaalselt muuta füüsikalis-keemilisiühenduse omadused. Tõestame seda väidet vee omadustega. Molekulid H2O on dipoolide kujuga – osakesed, mille poolused kannavad vastandlikke laenguid.
Naabermolekule tõmbavad üksteise poole positiivselt laetud vesiniku prootonid ja hapnikuaatomi negatiivsed laengud. Selle protsessi tulemusena moodustuvad molekulaarsed kompleksid - assotsieerunud ühendid, mis põhjustavad ebatavaliselt kõrge keemis- ja sulamistemperatuuri, ühendi kõrge soojusmahtuvuse ja soojusjuhtivuse.
Vee ainulaadsed omadused
Vesinikusidemete olemasolu H2O osakeste vahel on vastutav paljude selle oluliste omaduste eest. Vesi tagab kõige olulisemad metaboolsed reaktsioonid – rakus esinevate süsivesikute, valkude ja rasvade hüdrolüüs – ning on lahusti. Sellist vett, mis on osa tsütoplasmast või rakkudevahelisest vedelikust, nimetatakse vabaks. Tänu molekulidevahelistele vesiniksidemetele moodustab see valkude ja glükoproteiinide ümber hüdratatsioonikestad, mis takistavad polümeeri makromolekulide vahele kleepumist.
Sel juhul nimetatakse vett struktureeritud. Meie toodud näited H2O osakeste vahel tekkiva vesiniksideme kohta tõestavad selle juhtivat rolli orgaaniliste ainete – valkude ja polüsahhariidide – põhiliste füüsikaliste ja keemiliste omaduste kujunemisel, elusorganismides toimuvates assimilatsiooni- ja dissimilatsiooniprotsessides.süsteemides, samuti nende termilise tasakaalu tagamisel.
Molekulisisene vesinikside
Saliitsüülhape on üks tuntud ja kaua kasutatud ravimeid, millel on põletikuvastane, haavade paranemine ja antimikroobne toime. Hape ise, fenooli bromoderivaadid, orgaanilised kompleksühendid on võimelised moodustama molekulisisese vesiniksideme. Allpool toodud näited näitavad selle moodustamise mehhanismi. Seega on salitsüülhappe molekuli ruumilises konfiguratsioonis võimalik läheneda karbonüülrühma hapnikuaatomile ja hüdroksüülradikaali vesiniku prootonile.
Hapnikuaatomi suurema elektronegatiivsuse tõttu langeb vesinikuosakese elektron peaaegu täielikult hapniku tuuma mõju alla. Salitsüülhappe molekuli sees tekib vesinikside, mis suurendab lahuse happesust selles sisalduvate vesinikioonide kontsentratsiooni suurenemise tõttu.
Kokkuvõttes võib öelda, et seda tüüpi aatomitevaheline interaktsioon avaldub juhul, kui doonori rühm (osake, mis loovutab elektroni) ja aktseptori aatom, mis seda vastu võtab, on osa samast molekulist.
