Collegamento a ponte idrogeno

Ponte idrogeno in acqua (H₂O), metanolo (Cho₃OH), idrogeno fluoruro (HF) e ammoniaca (NH₃₎

Cos'è un collegamento a ponte idrogeno?

Il legame con ponte idrogeno è un tipo speciale di interazione dipolo-dipolo, appartenente alle forze di van der Waals, in cui un atomo di idrogeno si unisce a due o più molecole senza essere legato in modo covalente. Non si parla di un compartimento elettronico, ma di un fenomeno principalmente elettrostatico.

Come suggerisce il nome, l'idrogeno funge da ponte, quindi deve essere tra due atomi. L'idrogeno è collegato (H-X) a un atomo molto elettronegativo (come N, O e F) e si avvicina a un altro atomo elettronegativo ma da una molecola vicina. Ciò si traduce nella formazione del ponte idrogeno X ··· H-X.

Si noti che nella rappresentazione X ··· H-X, i punti simboleggiano il ponte idrogeno, mentre la sceneggiatura rappresenta il legame covalente tra H e X. Detto questo, diamo un'occhiata al ponte idrogeno tra due molecole d'acqua, dove x è l'atomo di ossigeno: H₂Oppure ··· H-OH (IMMAGINE inferiore).

Nell'immagine sopra vediamo che sette molecole d'acqua rimangono insieme grazie ai loro ponti idrogeno, rappresentati da linee blu. Un solo ponte idrogeno non è molto forte, ma quando ce ne sono miliardi, danno proprietà anormali e inaspettate.

Caratteristiche del ponte idrogeno

Compositivo

Il ponte idrogeno dovrebbe essere davvero rappresentato come x '··· h-x, dove x è ciò che è noto come donatore di ponte idrogeno, perché è covalentemente legato all'idrogeno (lo dà).

Nel frattempo, X 'è l'accettore del ponte idrogeno, presente in una molecola vicina (la riceve). Pertanto, abbiamo un atomo di donatore (x), un idrogeno (H) e un atomo accettore (x ') che compongono il ponte idrogeno (X' ··· H-X).

Geometrico

Quando pensiamo a un ponte, mi vengono in mente le superfici piatte o arcuate. Poiché si presume che i collegamenti non si curvino, avremo quindi due distanze: x ··· h e h-x, che compongono il ponte idrogeno x ··· h-x.

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Tra queste due distanze c'è un angolo, che è spesso 180 °; Cioè, i tre atomi del nostro ponte poggiano sulla stessa linea orizzontale (o verticale).

Quando l'angolo è diverso da 180º, il ponte X ··· H-X non è più dritto o lineare, ma acquisisce altre geometrie.

D'altra parte, le distanze nei ponti idrogeno non sono identiche. La distanza H-X è più corta di x ··· h, che può essere vista nell'immagine delle molecole d'acqua. Pertanto, ad esempio, la distanza H-X è generalmente alle 110 (1 · 10^-12m), mentre l'altra distanza x ··· h è 160 in poi.

Associativo

Una caratteristica speciale del ponte idrogeno è che consente alle molecole di essere molto più associate tra loro. Non camminano da un lato all'altro che si ignorano. Pertanto, stabilisce un ordine momentaneo nel seno dei liquidi; E nel caso dei solidi, contribuiscono alla definizione dei loro cristalli.

Dove vediamo un ponte idrogeno possiamo pensare all'associazione e, quindi, in un certo ordine (sebbene dinamico e cambio) su scale molecolari.

Energia

Rompere un ponte idrogeno non è molto difficile. Molecole d'acqua, ad esempio, camminano e creano ogni volta durante la mobilitazione. Ma rompere molti di loro allo stesso tempo implicherebbe disordinare un numero infinito di molecole. Parliamo di fornire tale energia che rompe le moli di questi ponti idrogeno (6.02 · 10²³ X ··· H-X).

Pertanto, la forza del ponte idrogeno varia a seconda delle identità e della natura delle molecole. Ad esempio, la forza del ponte idrogeno o ··· H-O tra acqua e alcol è 5 kcal/mol: è necessaria 5 kcal di energia per rompere una mole di quel ponte idrogeno in questione.

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Esempi di ponti idrogeno

Acqua

Inizialmente si parlava di ponti idrogeno tra le molecole d'acqua, ma l'effetto che ha sulle loro proprietà non è stato menzionato. Grazie a loro l'acqua bolle a 100 ° C, lasciando i punti di ebollizione delle molecole correlate come H₂S, che bolle a -60 ºC; o h₂Lo so, bollire a -41.25 ºC.

Questa differenza abissale è dovuta a ponti idrogeno d'acqua, che definiscono anche altre delle loro proprietà anomale, come il loro enorme calore specifico, cristalli di ghiaccio, la loro costante dielettrica, ecc.

Etanolo

Ponti idrogeno in un cristallo di etanolo

Ora vediamo un altro ponte idrogeno: quello tra molecole di etanolo, CH₃Cap₂Oh (sopra). Nota come sono sistemate le molecole₃Cap₂Oh in modo tale che vengano stabiliti i loro ponti idrogeno₃Cap₂Ho ··· Hoch₂Cap₃ (linee tratteggiate).

Tuttavia, le molecole sono troppo ordinate per supporre che parliamo di etanolo liquido, ma invece costituiscono un vetro (etanolo solido).

Il ponte idrogeno descritto per l'etanolo è simile a quello degli altri alcoli, con la differenza che i loro scheletri carbonizzati possono ostacolare l'efficienza di tali ponti.

Acido acetico

Ponti idrogeno tra due molecole di acido acetico. Fonte: Jynto, CC0, via Wikimedia Commons

Acido acetico, Cho₃COOH, è in grado di stabilire due ponti idrogeno che uniscono due molecole contemporaneamente. Poiché sono due molecole collegate dai ponti idrogeno, parliamo di un dimero.

Si noti che uno di questi ponti idrogeno è C = O ··· H-O e l'altro O-H ··· O = C. L'acido acetico presenta la peculiarità che nella fase del vapore esiste come questo dimero.

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Cellulosa

Ponti idrogeno tra diverse catene di cellulosa. Fonte: Laghi.L, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Vediamo ora ponti di idrogeno più diversi e multipli. La cellulosa, un polimero naturale, è costituita da catene composte da diverse unità di β-glucosio.

Ogni catena rimane fissata ad un'altra grazie a molti ponti idrogeno (immagine superiore), che rafforzano la coesione tra le catene.

DNA

Ponti idrogeno tra le basi di azoto del DNA. Fonte: CNX OpenStax, CC di 4.0, via Wikimedia Commons

Finora abbiamo visto l'effetto associativo dei ponti idrogeno per imporre l'ordine tra le molecole. Ma che dire di una macromolecola? In una macromolecola, come il DNA, troviamo ponti idrogeno interni o intramolecolari tra la sua base di timina, adenina, guanina e citosina (sopra) (sopra).

I ponti idrogeno intramolecolari tra queste coppie di basi di azoto, fanno acquisire la molecola di DNA una struttura a doppia elica, ideale per la sua replicazione. Se questi ponti idrogeno sono rotti dal riscaldamento, la doppia elica finirà per aprirsi in due singoli segmenti o bande.

Riferimenti

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