Czym są wiązania wodorowe i gdzie występują?

Wiązania wodorowe to jedne z najważniejszych i najbardziej fascynujących interakcji chemicznych występujących w przyrodzie. Co to wiązania wodorowe? Są to słabe, lecz niezwykle istotne siły międzycząsteczkowe, które pełnią kluczową rolę w wielu procesach biologicznych
i chemicznych. Należy zaznaczyć, że słowo „wiązanie” użyte jest w tym przypadku nie
w znaczeniu dosłownym. Wiązania wodorowe nie stanowią wiązań per se, a są rodzajem oddziaływań międzymolekularnych.

Czym są wiązania wodorowe?

Wiązania wodorowe to rodzaj oddziaływań międzycząsteczkowych, w których atom wodoru, związany kowalencyjnie z silnie elektroujemnym atomem w jednej cząsteczce, oddziałuje elektrostatycznie z atomem o znacznie większej elektroujemności znajdującym się w drugiej cząsteczce. Ten silnie elektroujemny atom drugiej cząsteczki posiada wolne pary elektronowe. 

Gdzie występują wiązania wodorowe? 

Najczęściej spotykanym przypadkiem jest wiązanie wodorowe między atomem wodoru, a atomem tlenu, azotu lub fluoru. Atomy te charakteryzują się wysoką elektroujemnością, przez co silnie przyciągają elektrony, tworząc różnicę ładunków elektrycznych, która jest podstawą siły wiązania.

Wiązanie wodorowe oznacza się kropkami, np. wiązanie wodorowe O-H^….N. 

Wiązania wodorowe a temperatura wrzenia

Występowanie wiązania wodorowego powoduje, że cząsteczki potrzebują więcej energii, aby przejść w stan pary, a co za tym idzie – musi być wyższa temperatura września (=dostarczone więcej energii). Wiązanie wodorowe jest tym silniejsze, im bardziej elektroujemny jest atom, będący akceptorem wiązania wodorowego.

Przykłady występowania wiązań wodorowych

Gdzie pojawiają się wiązania wodorowe? W naturze mamy wiele przykładów występowania wiązań wodorowych. Poniżej znajdziesz kilka najistotniejszych przykładów tych oddziaływań międzycząsteczkowych.

Wiązanie wodorowe w wodzie

Wiązania wodorowe są głównym czynnikiem, który nadaje wodzie jej wyjątkowe właściwości. Dzięki nim woda jest cieczą o wysokiej gęstości w stanie ciekłym, ale jednocześnie małej gęstości w stanie stałym (lód pływa na wodzie). Wiązania wodorowe w wodzie przyczyniają się do tego, że ma ona tak wysoką zdolność do absorbowania ciepła, co ma ogromne znaczenie w regulowaniu temperatury na Ziemi.

Wiązania wodorowe w prostszych związkach organicznych 

Związki organiczne zdolne do tworzenia wiązań wodorowych – przykłady, związków, w których możemy je znaleźć to m.in.:

• alkohole, 
• kwasy karboksylowe, 
• aminy I- i II-rzędowe,
• amidy I- i II-rzędowe.

Wiązania wodorowe w DNA i w białkach 

Wiązania wodorowe odgrywają istotną rolę w strukturze wielu biopolimerów, takich jak DNA i białka. Dzięki nim łańcuchy te przyjmują określone trójwymiarowe konfiguracje, co ma kluczowe znaczenie dla ich funkcji biologicznych. 

Wiązania wodorowe w DNA  są kluczowe w komplementarności zasad azotowych, co umożliwia replikację i odczytywanie informacji genetycznej. 

Wiązania wodorowe w białkach odgrywają ważną rolę w utrzymaniu ich trójwymiarowej struktury, a tym samym wpływają na pełnione przez owe białka funkcje . Przykładowo, białka enzymatyczne wykorzystują wiązania wodorowe do wiązania substratów i przeprowadzania reakcji chemicznych.

Wiązania wodorowe wewnątrzcząsteczkowe

Wiązania wodorowe mogą tworzyć się także w obrębie jednej cząsteczki. Taka sytuacja występuje np. w kwasie salicylowym. 

Wiązania wodorowe w ketonach

Ketony nie tworzą wiązań wodorowych między swoimi cząsteczkami, ale mogą je wytworzyć z cząsteczkami wody.

Właściwość ta wynika z polaryzacji wiązania C=O w ketonach, a dokładniej z różnicy elektroujemności tych atomów. Atom tlenu jest wtedy obdarzony cząstkowym ładunkiem ujemnym i dochodzi do wytworzenia wiązania wodorowego z atomami wodoru (z wody), które są obdarzone cząstkowym ładunkiem dodatnim. 

Wiązania wodorowe: autorskie zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Wyjaśnij, dlaczego, pomimo bardzo zbliżonych mas molowych wody (18 g/mol) oraz metanu (16 g/mol) posiadają one drastycznie różne temperatury wrzenia. T_w dla wody wynosi 100^oC, natomiast dla metanu jest równe -161,6 °C.

Odpowiedź:

Tak duża różnica, bo aż ponad 250 °C, w temperaturach wrzenia obu cząsteczek wynika ze zdolności cząsteczek wody do oddziaływania ze sobą poprzez tworzenie wiązań wodorowych. Obecność tych oddziaływań utrudnia przejście w stan gazowy, a tym samym podnosi temperaturę wrzenia substancji, która jest zdolna do tworzenia takich odziaływań. 

Zadanie 2.

Wiązania wodorowe występują pomiędzy cząsteczkami w których atomy wodoru związane są bezpośrednio z silnie elektroujemnymi atomami niemetalu, a ich siła rośnie wraz ze wzrostem elektroujemności atomu niemetalu, który jest donorem pary elektronowej. 

Podkreśl nazwy związków  których cząsteczki mogą tworzyć między sobą wiązania wodorowe:

Etanol, kwas octowy, metanoamina, propan, chloroform, octan etylu, amoniak, bromometan

Odpowiedź:

Etanol, kwas octowy, metanoamina, propan, chloroform, octan etylu, amoniak, bromometan

Komentarz:

Wiązania wodorowe mogą tworzyć tylko te związki, które posiadają atom wodoru połączony bezpośrednio z atomem fluoru, azotu lub tlenu.

Zadanie 3.

Występowanie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami ma duży wpływ na właściwości fizyczne związku. Wiązania wodorowe mogą powodować asocjację cząsteczek – czyli łączenie ich w większe agregaty, a tym samym utrudniają przejście związku w stan gazowy.

Uszereguj poniższe związki zgodnie ze wzrastającą temperaturą wrzenia.

CH₃CH₂OH, CH₂OHCH₂OH, CH₃COOH, CH₃CH₂CH₃, CH₃CH₂CH₂OH, CH₃CH₃,

Odpowiedź:

CH₃CH₃, CH₃CH₂CH₃, CH₃CH₂OH, CH₃CH₂CH₂OH, CH₃COOH, CH₂OHCH₂OH,

Komentarz:

Etan i propan w temperaturze pokojowej są gazami. Temperatura wrzenia dla etanolu wynosi 78⁰C, dla propanolu 97⁰C,  kwasu octowego 118⁰C, a dla glikolu etylenowego 197⁰C (dwie grupy –OH, może tworzyć więcej wiązań wodorowych).