Definizione ed esempi del legame idrogeno

Molte persone sono a proprio agio con l'idea di legami ionici e covalenti, ma non sono sicuri di cosa siano i legami idrogeno, come si formano e perché sono importanti.

Key Takeaways: obbligazioni idrogeno

• Un legame idrogeno è un'attrazione tra due atomi che già partecipano ad altri legami chimici. Uno degli atomi è l'idrogeno, mentre l'altro può essere qualsiasi atomo elettronegativo, come ossigeno, cloro o fluoro.
• I legami idrogeno possono formarsi tra atomi all'interno di una molecola o tra due molecole separate.
• Un legame idrogeno è più debole di un legame ionico o covalente, ma più forte delle forze di van der Waals.
• I legami idrogeno svolgono un ruolo importante nella biochimica e producono molte delle proprietà uniche dell'acqua.

Definizione del legame idrogeno

Un legame idrogeno è un tipo di interazione attraente (dipolo-dipolo) tra un atomo elettronegativo e un atomo di idrogeno legato a un altro atomo elettronegativo. Questo legame coinvolge sempre un atomo di idrogeno. I legami idrogeno possono verificarsi tra molecole o all'interno di parti di una singola molecola.

Un legame idrogeno tende ad essere più forte delle forze di van der Waals, ma più debole dei legami covalenti o dei legami ionici. È circa 1/20 (5%) della forza del legame covalente formato tra O-H. Tuttavia, anche questo legame debole è abbastanza forte da resistere a lievi fluttuazioni di temperatura.

Ma gli atomi sono già legati

Come può l'idrogeno essere attratto da un altro atomo quando è già legato? In un legame polare, un lato del legame esercita ancora una leggera carica positiva, mentre l'altro lato ha una leggera carica elettrica negativa. La formazione di un legame non neutralizza la natura elettrica degli atomi partecipanti.

Esempi di legami idrogeno

I legami idrogeno si trovano negli acidi nucleici tra coppie di basi e tra molecole d'acqua. Questo tipo di legame si forma anche tra idrogeno e atomi di carbonio di diverse molecole di cloroformio, tra idrogeno e atomi di azoto di molecole di ammoniaca vicine, tra subunità ripetute nel nylon polimerico e tra idrogeno e ossigeno in acetilacetone. Molte molecole organiche sono soggette a legami idrogeno. Legame idrogeno:

• Aiuta a legare i fattori di trascrizione al DNA
• Aiuta il legame antigene-anticorpo
• Organizza i polipeptidi in strutture secondarie, come l'elica alfa e il foglio beta
• Tenere insieme i due filamenti di DNA
• Associare tra loro i fattori di trascrizione

Legame idrogeno in acqua

Sebbene si formino legami idrogeno tra idrogeno e qualsiasi altro atomo elettronegativo, i legami all'interno dell'acqua sono i più onnipresenti (e alcuni direbbero, i più importanti). I legami idrogeno si formano tra molecole d'acqua vicine quando l'idrogeno di un atomo si trova tra gli atomi di ossigeno della sua molecola e quello del suo vicino. Ciò accade perché l'atomo di idrogeno è attratto sia dal proprio ossigeno che da altri atomi di ossigeno che si avvicinano abbastanza. Il nucleo di ossigeno ha 8 cariche "più", quindi attrae elettroni meglio del nucleo di idrogeno, con la sua singola carica positiva. Quindi, le molecole di ossigeno vicine sono in grado di attrarre atomi di idrogeno da altre molecole, formando la base della formazione del legame idrogeno.

Il numero totale di legami idrogeno formati tra le molecole d'acqua è 4. Ogni molecola d'acqua può formare 2 legami idrogeno tra l'ossigeno e i due atomi di idrogeno nella molecola. Ulteriori due legami possono essere formati tra ciascun atomo di idrogeno e gli atomi di ossigeno vicini.

Una conseguenza del legame idrogeno è che i legami idrogeno tendono a disporsi in un tetraedro attorno a ciascuna molecola d'acqua, portando alla nota struttura cristallina dei fiocchi di neve. Nell'acqua liquida, la distanza tra le molecole adiacenti è maggiore e l'energia delle molecole è sufficientemente elevata da allungare e rompere i legami a idrogeno. Tuttavia, anche le molecole di acqua liquida hanno una media di una disposizione tetraedrica. A causa del legame con l'idrogeno, la struttura dell'acqua liquida viene ordinata a temperatura più bassa, ben oltre quella di altri liquidi. Il legame all'idrogeno mantiene le molecole d'acqua circa il 15% più vicine rispetto a se i legami non fossero presenti. I legami sono la ragione principale per cui l'acqua mostra proprietà chimiche interessanti e insolite.

• Il legame all'idrogeno riduce gli sbalzi di temperatura estremi vicino a grandi corpi idrici.
• Il legame all'idrogeno consente agli animali di raffreddarsi usando il sudore perché è necessaria una così grande quantità di calore per rompere i legami idrogeno tra le molecole d'acqua.
• Il legame all'idrogeno mantiene l'acqua allo stato liquido in un intervallo di temperatura più ampio rispetto a qualsiasi altra molecola di dimensioni comparabili.
• Il legame conferisce all'acqua un calore eccezionalmente elevato di vaporizzazione, il che significa che è necessaria una notevole energia termica per trasformare l'acqua liquida in vapore acqueo.

I legami idrogeno nell'acqua pesante sono persino più forti di quelli presenti nell'acqua normale creati con idrogeno normale (protio). Il legame all'idrogeno nell'acqua tritata è ancora più forte.