לרוב האנשים מרגישים בנוח עם הרעיון של קשרים יוניים וקוואלנטיים, ובכל זאת אינם בטוחים באשר הם קשרי מימן, איך הם יוצרים ומדוע הם חשובים.
מסירות מפתח: אג"ח מימן
- קשר מימן הוא משיכה בין שני אטומים שכבר משתתפים בקשרים כימיים אחרים. אחד האטומים הוא מימן ואילו השני יכול להיות כל אטום אלקטרונגטיבי, כמו חמצן, כלור או פלואור.
- קשרי מימן עשויים להיווצר בין אטומים בתוך מולקולה או בין שתי מולקולות נפרדות.
- קשר מימן חלש יותר מקשר יוני או קשר קוולנטי, אך חזק מכוחות ואן דר וואלס.
- קשרי מימן ממלאים תפקיד חשוב בביוכימיה ומייצרים רבים מהמאפיינים הייחודיים של מים.
הגדרת אג"ח מימן
קשר מימן הוא סוג של אינטראקציה מושכת (דיפול-דיפול) בין אלקטרו-נגטיב אטום ו מימן אטום מלוכדות לאטום אלקטרוני אלקטרוני אחר. קשר זה תמיד כולל אטום מימן. קשרי מימן יכול להתרחש בין מולקולות או בתוך חלקים ממולקולה בודדת.
קשר מימן נוטה להיות חזק יותר מאשר כוחות של ואן דר וואלס, אך חלש יותר מ קשרים קוולנטיים או קשרים יוניים. זהו בערך 1/20 (5%) חוזק הקשר הקוולינטי הנוצר בין O-H. עם זאת, אפילו הקשר החלש הזה חזק מספיק בכדי לעמוד בתנודות קלות בטמפרטורה.
אבל האטומים כבר קשורים
כיצד ניתן למשוך מימן לאטום אחר כאשר הוא כבר קשור? ב קשר קוטבי, הצד האחד של הקשר עדיין מפעיל מטען חיובי קל, ואילו לצד השני מטען חשמלי שלילי קל. יצירת קשר אינה מנטרלת את הטבע החשמלי של האטומים המשתתפים.
דוגמאות לאג"ח מימן
קשרי מימן נמצאים בחומצות גרעין בין זוגות בסיס ובין מולקולות מים. קשר מסוג זה נוצר גם בין אטומי מימן לפחמן של מולקולות כלורופורם שונות, בין מימן לחנקן אטומים של מולקולות אמוניה שכנות, בין יחידות יחידה חוזרות וניילון בפולימר, ובין מימן וחמצן ב אצטילצטון. מולקולות אורגניות רבות נתונות לקשרי מימן. קשר מימן:
- עזרה בקשירת גורמי שעתוק ל- DNA
- סיוע בכריכת נוגדן-נוגדן
- ארגן פוליפפטידים למבנים משניים, כמו סליל אלפא וגיליון בטא
- החזיקו יחד את שני גדילי ה- DNA
- קושרים גורמי שעתוק זה לזה
קשירת מימן במים
למרות שקשרי מימן נוצרים בין מימן לכל אטום אלקטרונגטיבי אחר, הקשרים בתוך המים הם הכי נפוצים (ויש שיגידו, החשובים ביותר). קשרי מימן נוצרים בין מולקולות מים שכנות כאשר המימן של אטום אחד מגיע בין אטומי החמצן של המולקולה שלו לבין זו של שכנתו. זה קורה מכיוון שאטום המימן נמשך הן לחמצן עצמו והן לאטומי חמצן אחרים המתקרבים מספיק. לגרעין החמצן יש מטענים של "פלוס", כך שהוא מושך אלקטרונים טוב יותר מגרעין המימן, עם המטען החיובי היחיד שלו. אז מולקולות חמצן שכנות מסוגלות למשוך אטומי מימן ממולקולות אחרות, ויוצרים את בסיס היווצרותם של קשר מימן.
המספר הכולל של קשרי מימן הנוצרים בין מולקולות מים הוא 4. כל מולקולת מים יכולה ליצור 2 קשרי מימן בין חמצן לשני אטומי המימן במולקולה. ניתן ליצור שני קשרים נוספים בין כל אטום מימן לבין אטומי חמצן סמוכים.
תוצאה של קשירת מימן היא שקשרי מימן נוטים להסתדר בטטרדרון סביב כל מולקולת מים, מה שמוביל למבנה הגבישי הידוע של פתיתי שלג. במים נוזליים המרחק בין מולקולות סמוכות גדול יותר והאנרגיה של המולקולות גבוהה מספיק כך שקשרי מימן נמתחים ונשברים לרוב. עם זאת, גם מולקולות מים נוזליות ממוצעות לסידור טטרהדראלי. בגלל קשירת מימן, מבנה המים הנוזלים מסודר בטמפרטורה נמוכה יותר, הרבה מעבר לזה של נוזלים אחרים. קשירת מימן מחזיקה מולקולות מים קרוב ל- 15% מאשר אם הקשרים לא היו קיימים. הקשרים הם הסיבה העיקרית לכך שמים מציגים תכונות כימיות מעניינות ולא שגרתיות.
- קשירת מימן מפחיתה את משמרות הטמפרטורה הקיצוניות ליד גופי מים גדולים.
- קשירת מימן מאפשרת לבעלי חיים לקרר את עצמם באמצעות זיעה מכיוון שצריך כמות כה גדולה של חום כדי לשבור קשרי מימן בין מולקולות מים.
- קשירת מימן שומרת על מים במצב נוזלי שלהם בטווח טמפרטורות רחב יותר מאשר לכל מולקולה אחרת בגודל דומה.
- ההדבקה מעניקה למים חום אידוי גבוה במיוחד, שפירושו אנרגיה תרמית ניכרת כדי לשנות מים נוזלים לאדי מים.
קשרי מימן בתוך מים כבדים הם אפילו יותר חזקים מאלו בתוך מים רגילים המיוצרים באמצעות מימן רגיל (פרוטיום). קשירת מימן במים משולשים חזקה עדיין.