Die meisten Menschen sind mit der Idee ionischer und kovalenter Bindungen vertraut, sind sich jedoch nicht sicher, was Wasserstoffbrückenbindungen sind, wie sie sich bilden und warum sie wichtig sind.
Wichtige Erkenntnisse: Wasserstoffbrücken
- Eine Wasserstoffbindung ist eine Anziehungskraft zwischen zwei Atomen, die bereits an anderen chemischen Bindungen beteiligt sind. Eines der Atome ist Wasserstoff, während das andere ein beliebiges elektronegatives Atom sein kann, wie Sauerstoff, Chlor oder Fluor.
- Wasserstoffbrücken können sich zwischen Atomen innerhalb eines Moleküls oder zwischen zwei getrennten Molekülen bilden.
- Eine Wasserstoffbindung ist schwächer als eine Ionenbindung oder eine kovalente Bindung, aber stärker als Van-der-Waals-Kräfte.
- Wasserstoffbrückenbindungen spielen eine wichtige Rolle in der Biochemie und erzeugen viele der einzigartigen Eigenschaften von Wasser.
Wasserstoffbrückenbindung Definition
Eine Wasserstoffbindung ist eine Art attraktiver (Dipol-Dipol) Wechselwirkung zwischen einem Elektronegativ
Atom und ein Wasserstoff Atom gebunden zu einem anderen elektronegativen Atom. Diese Bindung beinhaltet immer ein Wasserstoffatom. Wasserstoffbrücken kann zwischen auftreten Moleküle oder innerhalb von Teilen eines einzelnen Moleküls.Eine Wasserstoffbrücke ist tendenziell stärker als van der Waals Kräfte, aber schwächer als kovalente Bindungen oder ionische Bindungen. Es ist ungefähr 1/20 (5%) der Stärke der zwischen O-H gebildeten kovalenten Bindung. Selbst diese schwache Bindung ist jedoch stark genug, um leichten Temperaturschwankungen standzuhalten.
Aber die Atome sind bereits gebunden
Wie kann Wasserstoff von einem anderen Atom angezogen werden, wenn es bereits gebunden ist? In einem polare BindungEine Seite der Bindung übt immer noch eine leichte positive Ladung aus, während die andere Seite eine leichte negative elektrische Ladung aufweist. Das Bilden einer Bindung neutralisiert nicht die elektrische Natur der teilnehmenden Atome.
Beispiele für Wasserstoffbrückenbindungen
Wasserstoffbrücken finden sich in Nukleinsäuren zwischen Basenpaaren und zwischen Wassermolekülen. Diese Art der Bindung bildet sich auch zwischen Wasserstoff- und Kohlenstoffatomen verschiedener Chloroformmoleküle, zwischen Wasserstoff und Stickstoff Atome benachbarter Ammoniakmoleküle, zwischen sich wiederholenden Untereinheiten im Polymernylon und zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in Acetylaceton. Viele organische Moleküle unterliegen Wasserstoffbrücken. Wasserstoffverbindung:
- Helfen Sie dabei, Transkriptionsfaktoren an DNA zu binden
- Unterstützung der Antigen-Antikörper-Bindung
- Organisieren Sie Polypeptide in Sekundärstrukturen wie Alpha-Helix und Beta-Faltblatt
- Halten Sie die beiden DNA-Stränge zusammen
- Binden Sie Transkriptionsfaktoren aneinander
Wasserstoffbrückenbindung in Wasser
Obwohl sich Wasserstoffbrücken zwischen Wasserstoff und jedem anderen elektronegativen Atom bilden, sind die Bindungen innerhalb von Wasser am allgegenwärtigsten (und einige würden argumentieren, am wichtigsten). Wasserstoffbrückenbindungen bilden sich zwischen benachbarten Wassermolekülen, wenn der Wasserstoff eines Atoms zwischen den Sauerstoffatomen seines eigenen Moleküls und dem seines Nachbarn liegt. Dies geschieht, weil das Wasserstoffatom sowohl von seinem eigenen Sauerstoff als auch von anderen Sauerstoffatomen angezogen wird, die nahe genug kommen. Der Sauerstoffkern hat 8 "plus" Ladungen, so dass er mit seiner einzigen positiven Ladung Elektronen besser anzieht als der Wasserstoffkern. So können benachbarte Sauerstoffmoleküle Wasserstoffatome von anderen Molekülen anziehen und bilden so die Grundlage für die Bildung von Wasserstoffbrücken.
Die Gesamtzahl der zwischen Wassermolekülen gebildeten Wasserstoffbrücken beträgt 4. Jedes Wassermolekül kann zwei Wasserstoffbrücken zwischen Sauerstoff und den beiden Wasserstoffatomen im Molekül bilden. Weitere zwei Bindungen können zwischen jedem Wasserstoffatom und nahe gelegenen Sauerstoffatomen gebildet werden.
Eine Folge der Wasserstoffbindung ist, dass Wasserstoffbrückenbindungen dazu neigen, sich in einem Tetraeder um jedes Wassermolekül anzuordnen, was zur bekannten Kristallstruktur von Schneeflocken führt. In flüssigem Wasser ist der Abstand zwischen benachbarten Molekülen größer und die Energie der Moleküle ist groß genug, dass Wasserstoffbrücken häufig gedehnt und aufgebrochen werden. Selbst flüssige Wassermoleküle bilden jedoch einen Durchschnitt zu einer tetraedrischen Anordnung. Aufgrund der Wasserstoffbindung wird die Struktur von flüssigem Wasser bei niedrigerer Temperatur weit über die anderer Flüssigkeiten hinaus geordnet. Die Wasserstoffbindung hält Wassermoleküle etwa 15% näher als wenn die Bindungen nicht vorhanden wären. Die Bindungen sind der Hauptgrund dafür, dass Wasser interessante und ungewöhnliche chemische Eigenschaften aufweist.
- Wasserstoffbrücken reduzieren extreme Temperaturverschiebungen in der Nähe großer Gewässer.
- Durch Wasserstoffbrücken können sich die Tiere durch Schweiß abkühlen, da so viel Wärme benötigt wird, um Wasserstoffbrücken zwischen Wassermolekülen aufzubrechen.
- Die Wasserstoffbindung hält Wasser über einen größeren Temperaturbereich in flüssigem Zustand als jedes andere Molekül vergleichbarer Größe.
- Die Bindung verleiht Wasser eine außergewöhnlich hohe Verdampfungswärme, was bedeutet, dass beträchtliche Wärmeenergie benötigt wird, um flüssiges Wasser in Wasserdampf umzuwandeln.
Wasserstoffbrücken innerhalb schweres Wasser sind sogar stärker als diejenigen in gewöhnlichem Wasser, das unter Verwendung von normalem Wasserstoff (Protium) hergestellt wird. Die Wasserstoffbindung in tritiiertem Wasser ist noch stärker.