Liên kết bằng cầu hydro: Đặc điểm, liên kết trong nước và DNA
Liên kết cầu hydro là một lực hút tĩnh điện giữa hai nhóm cực xảy ra khi một nguyên tử hydro (H) gắn với một nguyên tử có độ âm điện cao tạo ra lực hút trên trường tĩnh điện của một nguyên tử điện tích khác gần đó.
Trong vật lý và hóa học, có những lực tạo ra sự tương tác giữa hai hoặc nhiều phân tử, bao gồm cả lực hút hoặc lực đẩy, có thể tác động giữa chúng và các hạt lân cận khác (như nguyên tử và ion). Các lực này được gọi là lực liên phân tử.
Các lực liên cực có bản chất yếu hơn so với các lực tham gia vào các bộ phận của một phân tử từ trong ra ngoài (các lực nội phân tử).
Có bốn loại lực liên phân tử hấp dẫn: lực lưỡng cực ion, lực lưỡng cực - lực lưỡng cực, lực van der Waals và liên kết hydro.
Đặc điểm của liên kết cầu hydro
Liên kết bằng cầu hydro nằm giữa một nguyên tử "nhà tài trợ" (độ âm điện có hydro) và "thụ thể" (độ âm điện không có hydro).
Nó thường tạo ra năng lượng từ 1 đến 40 Kcal / mol, làm cho sức hút này mạnh hơn đáng kể so với năng lượng xảy ra trong tương tác van der Waals, nhưng yếu hơn liên kết cộng hóa trị và ion.
Nó thường xảy ra giữa các phân tử với các nguyên tử như nitơ (N), oxy (O) hoặc flo (F), mặc dù nó cũng được quan sát thấy với các nguyên tử carbon (C) khi chúng được gắn vào các nguyên tử có độ âm điện cao, như trong trường hợp của chloroform (như trong trường hợp chloroform ( CHCl 3 ).
Tại sao công đoàn xảy ra?
Sự kết hợp này xảy ra bởi vì, được gắn vào một nguyên tử có độ âm điện cao, hydro (một nguyên tử nhỏ có điện tích trung tính điển hình) thu được điện tích dương một phần, khiến nó bắt đầu thu hút các nguyên tử điện từ khác về phía mình.
Từ đó phát sinh một liên minh rằng, mặc dù nó không thể được phân loại là cộng hóa trị hoàn toàn, liên kết hydro và nguyên tử điện của nó với nguyên tử khác này.
Bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của các liên kết này được quan sát bởi một nghiên cứu đo các điểm sôi. Cần lưu ý rằng không phải tất cả các chất này đều tăng theo trọng lượng phân tử, như mong đợi, nhưng có một số hợp chất cần nhiệt độ cao hơn để đun sôi so với dự đoán.
Từ đây, chúng tôi bắt đầu quan sát sự tồn tại của các liên kết hydro trong các phân tử có độ âm điện.
Độ dài của liên kết
Đặc điểm quan trọng nhất để đo trong liên kết hydro là chiều dài của nó (dài hơn, kém mạnh hơn), được đo bằng angstrom (Å).
Đổi lại, chiều dài này phụ thuộc vào cường độ liên kết, nhiệt độ và áp suất. Dưới đây mô tả cách các yếu tố này ảnh hưởng đến sức mạnh của liên kết hydro.
Liên kết sức mạnh
Độ bền liên kết phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, góc liên kết và môi trường (được đặc trưng bởi hằng số điện môi cục bộ).
Ví dụ, đối với các phân tử hình học tuyến tính, liên kết yếu hơn vì hydro ở xa nguyên tử này hơn nguyên tử khác, nhưng ở góc kín hơn, lực này phát triển.
Nhiệt độ
Người ta đã nghiên cứu rằng các liên kết hydro dễ hình thành ở nhiệt độ thấp hơn, do việc giảm mật độ và tăng chuyển động phân tử ở nhiệt độ cao hơn gây ra những khó khăn trong việc hình thành liên kết hydro.
Các liên kết có thể bị phá vỡ tạm thời và / hoặc vĩnh viễn khi tăng nhiệt độ, nhưng điều quan trọng cần lưu ý là các liên kết cũng làm cho các hợp chất có khả năng chống sôi cao hơn, như trường hợp của nước.
Áp lực
Áp suất càng cao, cường độ của liên kết hydro càng lớn. Điều này xảy ra bởi vì ở áp suất cao hơn, các nguyên tử của phân tử (ví dụ như trong băng) sẽ nhỏ gọn hơn và điều này sẽ giúp khoảng cách giữa các thành phần của liên kết nhỏ hơn.
Trên thực tế, giá trị này gần như tuyến tính khi nghiên cứu băng trong biểu đồ nơi độ dài liên kết tìm thấy với áp suất được đánh giá cao.
Liên kết bằng cầu hydro trong nước
Phân tử nước (H 2 O) được coi là một trường hợp hoàn hảo của liên kết hydro: mỗi phân tử có thể tạo thành bốn liên kết hydro tiềm năng với các phân tử nước gần đó.
Trong mỗi phân tử có một lượng hoàn hảo các hydrogens tích điện dương và các cặp electron không bị phá hủy, khiến tất cả có thể tham gia vào sự hình thành các liên kết hydro.
Đây là lý do tại sao nước có điểm sôi cao hơn các phân tử khác, ví dụ như amoniac (NH 3 ) và hydro florua (HF).
Trong trường hợp đầu tiên, nguyên tử nitơ chỉ có một cặp electron tự do và điều này có nghĩa là trong một nhóm các phân tử amoniac không có đủ các cặp tự do để đáp ứng nhu cầu của tất cả các hydrogens.
Người ta nói rằng đối với mỗi phân tử amoniac, một liên kết đơn được hình thành bởi một cây cầu hydro và các nguyên tử H khác bị "lãng phí".
Trong trường hợp florua, thay vào đó là sự thiếu hụt hydrogens và "cặp" electron bị "lãng phí". Một lần nữa, có một lượng hydrogens và cặp electron thích hợp trong nước, vì vậy hệ thống này liên kết với nhau một cách hoàn hảo.
Liên kết bằng cầu hydro trong DNA và các phân tử khác
Trong protein và DNA liên kết hydro cũng có thể được quan sát: trong trường hợp DNA, dạng xoắn kép là do liên kết hydro giữa các cặp cơ sở của nó (các khối tạo nên chuỗi xoắn), cho phép những phân tử này được nhân rộng và có sự sống như chúng ta biết.
Trong trường hợp protein, hydrogens hình thành liên kết giữa oxygens và amide hydrogens; tùy thuộc vào vị trí nơi nó xảy ra, các cấu trúc protein kết quả khác nhau sẽ được hình thành.
Liên kết hydro cũng có mặt trong các polyme tự nhiên và tổng hợp và trong các phân tử hữu cơ có chứa nitơ, và các phân tử khác có loại liên kết này vẫn được nghiên cứu trong thế giới hóa học.
