Quali sono le cause del legame all'idrogeno?

Il legame all'idrogeno si verifica tra un atomo di idrogeno e un atomo elettronegativo (ad esempio ossigeno, fluoro, cloro). Il legame è più debole di un legame ionico o covalente, ma più forte delle forze di van der Waals (da 5 a 30 kJ / mol). Un legame idrogeno è classificato come un tipo di legame chimico debole.

Perché si formano legami idrogeno

Il motivo per cui si verifica il legame idrogeno è perché l'elettrone non è condiviso uniformemente tra un atomo di idrogeno e un atomo caricato negativamente. L'idrogeno in un legame ha ancora solo un elettrone, mentre ci vogliono due elettroni per una coppia di elettroni stabile. Il risultato è che l'atomo di idrogeno trasporta una carica positiva debole, quindi rimane attratto dagli atomi che portano ancora una carica negativa. Per questo motivo, il legame idrogeno non si verifica nelle molecole con legami covalenti non polari. Qualsiasi composto con legami polari covalenti ha il potenziale di formare legami idrogeno.

Esempi di legami idrogeno

I legami idrogeno possono formarsi all'interno di una molecola o tra atomi in molecole diverse. Sebbene non sia necessaria una molecola organica per il legame all'idrogeno, il fenomeno è estremamente importante nei sistemi biologici. Esempi di legame all'idrogeno includono:

• tra due molecole d'acqua
• tenendo insieme due filamenti di DNA per formare una doppia elica
• polimeri rinforzanti (ad es. unità ripetitiva che aiuta a cristallizzare il nylon)
• formando strutture secondarie nelle proteine, come l'elica alfa e il foglio pieghettato beta
• tra le fibre del tessuto, che può provocare la formazione di rughe
• tra un antigene e un anticorpo
• tra un enzima e un substrato
• legame dei fattori di trascrizione al DNA

Legame idrogeno e acqua

I legami idrogeno rappresentano alcune importanti qualità dell'acqua. Anche se un legame idrogeno è solo il 5% più forte di un legame covalente, è sufficiente per stabilizzare le molecole d'acqua.

• Il legame all'idrogeno fa sì che l'acqua rimanga liquida in un ampio intervallo di temperature.
• Poiché è necessaria energia extra per rompere i legami idrogeno, l'acqua ha un calore insolitamente alto di vaporizzazione. L'acqua ha un punto di ebollizione molto più alto rispetto ad altri idruri.

Ci sono molte importanti conseguenze degli effetti del legame idrogeno tra le molecole d'acqua:

• Il legame all'idrogeno rende il ghiaccio meno denso dell'acqua liquida, quindi il ghiaccio galleggia sull'acqua.
• L'effetto del legame idrogeno sul calore della vaporizzazione aiuta a rendere il sudore un mezzo efficace per abbassare la temperatura degli animali.
• L'effetto sulla capacità termica significa che l'acqua protegge da sbalzi di temperatura estremi vicino a grandi corpi idrici o ambienti umidi. L'acqua aiuta a regolare la temperatura su scala globale.

Forza dei legami idrogeno

Il legame idrogeno è più significativo tra idrogeno e atomi altamente elettronegativi. La lunghezza del legame chimico dipende dalla sua forza, pressione e temperatura. L'angolo di legame dipende dalle specie chimiche specifiche coinvolte nel legame. La forza dei legami idrogeno varia da molto debole (1-2 kJ mol − 1) a molto forte (161,5 kJ mol − 1). Alcune entalpie di esempio nel vapore sono:

F − H…: F (161,5 kJ / mol o 38,6 kcal / mol)
O − H…: N (29 kJ / mol o 6,9 kcal / mol)
O − H…: O (21 kJ / mol o 5,0 kcal / mol)
N − H…: N (13 kJ / mol o 3,1 kcal / mol)
N − H…: O (8 kJ / mol o 1,9 kcal / mol)
HO − H…: OH₃⁺ (18 kJ / mol o 4,3 kcal / mol)

_Riferimenti

_{Larson, J. W .; McMahon, T. B. (1984). "Biossido di fase gassosa e ioni pseudobihalide. Determinazione della risonanza del ciclotrone ionico delle energie del legame idrogeno nelle specie XHY (X, Y = F, Cl, Br, CN)". Chimica Inorganica 23 (14): 2029-2033.}

_{Emsley, J. (1980). "Legami di idrogeno molto forti". Recensioni della società chimica 9 (1): 91-124.
Omer Markovitch e Noam Agmon (2007). "Struttura ed energia dei gusci di idratazione dell'idronio". J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253-2256.}