De flesta människor är bekväma med tanken på joniska och kovalenta bindningar, men ändå osäkra på vad vätebindningar är, hur de bildar och varför de är viktiga.
Viktiga takeaways: vätebindningar
- En vätebindning är en attraktion mellan två atomer som redan deltar i andra kemiska bindningar. En av atomerna är väte, medan den andra kan vara vilken som helst elektronegativ atom, såsom syre, klor eller fluor.
- Vätebindningar kan bildas mellan atomer i en molekyl eller mellan två separata molekyler.
- En vätebindning är svagare än en jonbindning eller en kovalent bindning, men starkare än van der Waals-krafter.
- Vätebindningar spelar en viktig roll i biokemi och producerar många av de unika egenskaperna hos vatten.
Definition av vätebindning
En vätebindning är en typ av attraktiv (dipol-dipol) interaktion mellan ett elektronegativt atom och a väte atom bunden till en annan elektronegativ atom. Denna bindning involverar alltid en väteatom. Vätebindningar kan uppstå mellan molekyler eller inom delar av en enda molekyl.
En vätebindning tenderar att vara starkare än van der Waals styrker, men svagare än kovalenta bindningar eller joniska bindningar. Det är ungefär 1/20 (5%) styrkan hos den kovalenta bindningen som bildas mellan O-H. Men även denna svaga bindning är tillräckligt stark för att motstå svag temperaturfluktuation.
Men atomerna är redan bundna
Hur kan väte lockas till en annan atom när det redan är bundet? I en polär bindning, den ena sidan av bindningen utövar fortfarande en svag positiv laddning, medan den andra sidan har en liten negativ elektrisk laddning. Att bilda en bindning neutraliserar inte deltagarnas elektriska natur.
Exempel på vätebindningar
Vätebindningar finns i nukleinsyror mellan baspar och mellan vattenmolekyler. Denna typ av bindning bildas också mellan väte och kolatomer i olika kloroformmolekyler, mellan väte och kväve atomer i angränsande ammoniakmolekyler, mellan upprepande underenheter i polymernylon och mellan väte och syre i acetylaceton. Många organiska molekyler utsätts för vätebindningar. Vätebindning:
- Hjälp binda transkriptionsfaktorer till DNA
- Hjälp antigen-antikroppsbindning
- Organisera polypeptider i sekundära strukturer, såsom alfa-helix och beta-ark
- Håll ihop de två DNA-strängarna
- Bind transkriptionsfaktorer till varandra
Vätebindning i vatten
Även om vätebindningar bildas mellan väte och någon annan elektronegativ atom, är bindningarna i vattnet de mest allestädes närvarande (och vissa skulle hävda, de viktigaste). Vätebindningar bildas mellan angränsande vattenmolekyler när vätgas i en atom kommer mellan syreatomerna i sin egen molekyl och dess granne. Detta händer eftersom väteatomen lockas till både sitt eget syre och andra syreatomer som kommer tillräckligt nära. Syrekärnan har 8 "plus" -laddningar, så den drar till sig elektroner bättre än vätekärnan med sin enda positiva laddning. Så, grannens syremolekyler kan attrahera väteatomer från andra molekyler och utgöra grunden för vätebindningsbildningen.
Det totala antalet vätebindningar som bildas mellan vattenmolekyler är 4. Varje vattenmolekyl kan bilda 2 vätebindningar mellan syre och de två väteatomerna i molekylen. Ytterligare två bindningar kan bildas mellan varje väteatom och närliggande syreatomer.
En konsekvens av vätebindning är att vätebindningar tenderar att anordna sig i en tetrahedron runt varje vattenmolekyl, vilket leder till den välkända kristallstrukturen för snöflingor. I flytande vatten är avståndet mellan angränsande molekyler större och molekylernas energi är tillräckligt hög för att vätebindningar ofta sträcks och bryts. Men även flytande vattenmolekyler går i genomsnitt till en tetraedrisk anordning. På grund av vätebindning ordnas strukturen för flytande vatten vid lägre temperatur, långt bortom för andra vätskor. Vätebindning håller vattenmolekyler ungefär 15% närmare än om bindningarna inte var närvarande. Bindningarna är det främsta skälet till att vatten visar intressanta och ovanliga kemiska egenskaper.
- Vätebindning minskar extrema temperaturförskjutningar nära stora vattendrag.
- Vätebindning tillåter djur att kyla sig med svett eftersom en så stor mängd värme behövs för att bryta vätebindningar mellan vattenmolekyler.
- Vätebindning håller vatten i sitt flytande tillstånd över ett större temperaturområde än för någon annan molekyl med jämförbar storlek.
- Fästningen ger vatten ett exceptionellt högt förångningsvärme, vilket innebär att värmeenergi krävs för att förvandla flytande vatten till vattenånga.
Vätebindningar inom tungt vatten är ännu starkare än i vanligt vatten tillverkat med normalt väte (protium). Vätebindning i triterat vatten är ännu starkare.