Водородные связи являются важной межмолекулярной силой, которая отвечает за многие молекулярные действия, особенно в биологических системах.

Словарь химических терминов:

Межмолекулярная сила: силы между взаимодействующими молекулами внутри одного и того же вещества. Они отличаются от внутримолекулярных сил, которые представляют собой силы, существующие между атомами внутри молекулы.

Ионная связь: связь, которая образуется из-за электростатического притяжения между двумя противоположно заряженными ионами. Пример: Na + и Cl– образуют ионную связь для создания NaCl

Ковалентная связь: связь, которая образуется из-за двух атомов, разделяющих электроны. Пример: CO

Диполь: частичный заряд на атоме из-за естественного движения электронов, что приводит к частичным положительным и отрицательным зарядам на нейтральной в остальном молекуле.

Что такое водородные связи?

Водородные связи - это тип межмолекулярной силы, возникающей между водородом в одной молекуле и электроотрицательным атомом другой молекулы. В частности, они возникают только между соединениями, которые содержат водород и один или несколько из следующих атомов: кислород, фтор или азот. Умный способ запомнить, что водородные связи возникают только с этими молекулами: “химия - это ВЕСЕЛО”. Водородные связи являются самыми сильными из трех типов межмолекулярных сил.

Являются ли водородные связи такими же, как ковалентные связи?

Нет. Водородные связи представляют собой межмолекулярную силу, в то время как ковалентные связи представляют собой внутримолекулярную силу. Эти связи часто присутствуют во многих ковалентных соединениях, но сильно отличаются от ковалентных связей. Хотя эти связи прочны, они далеко не так прочны, как ковалентные связи, и часто постоянно разрушаются и восстанавливаются.

Как возникают водородные связи?
Эти связи возникают, когда водород образует положительный диполь в одной молекуле, а фтор, кислород или азот образуют отрицательный диполь в другой молекуле. Положительный диполь водорода притягивается к отрицательному диполю на электроотрицательном атоме, создавая притяжение между двумя молекулами.

Примеры водородных связей
Понимание водородных связей становится проще, если посмотреть на общие примеры водородных связей.

1.Водородные связи в воде часто являются наиболее распространенным примером этих связей из-за их важности во многих свойствах воды. В воде водородная связь возникает между кислородом одной молекулы и водородом другой.

Эти связи придают воде важные свойства, такие как когезия (способность воды прилипать к самой себе), адгезия (способность воды прилипать к другим молекулам), поверхностное натяжение, высокая удельная теплоемкость и ее свойства растворителя.

2.Водородные связи в ДНК
Водородные связи чрезвычайно важны в биологии, поскольку они являются причиной структуры ДНК и ее свойств. Эти связи отвечают за связи между двумя нитями ДНК между парами нуклеотидных оснований. Аденин и тимин образуют две водородные связи между ними, а цитозин и гуанин образуют три. Эти связи удерживают ДНК в форме двойной спирали. Кроме того, эти связи важны для репликации ДНК, поскольку прочность связей удерживает нити вместе, но они достаточно слабы, чтобы их можно было разорвать с некоторой силой, что позволяет разделить нити, когда придет время для репликации.

Эти связи также являются причиной того, что ДНК и многие белки имеют оптимальный рН и температуру. Если pH низкий, это означает, что существует высокая концентрация ионов H +. Поскольку эти ионы являются реактивными, они могут разорвать водородные связи и заменить их, связавшись с электроотрицательным атомом. То же самое может происходить при высоком pH, что означает высокую концентрацию ОН–ионов. Отрицательный кислород притягивает атомы водорода, что может привести к разрыву связи и образованию новой связи между кислородом в гидроксиде и водородом в паре оснований ДНК.

Эти связи также могут быть разрушены температурой. Когда система нагревается, молекулы начинают двигаться быстрее и получают достаточно энергии, чтобы разорвать водородную связь. Поскольку эти связи необходимы для структуры ДНК и многих белков, они могут привести к пагубным изменениям в биологических системах.

3.Водородные связи в лекарствах
Водородные связи необходимы при рассмотрении состава лекарственного средства и того, как оно будет взаимодействовать в организме. В частности, если лекарство действует на определенную молекулу-мишень, оно должно каким-то образом связываться с молекулой, чтобы изменить ее функцию. Для этого связывания необходимы водородные связи, поскольку они позволяют лекарственному средству плотно связываться с активным сайтом молекулы. Это также можно увидеть во взаимодействиях фермент-субстрат, где водородные связи обеспечивают плотное, но обратимое связывание.

4.Водородные связи и температура кипения
Как обсуждалось ранее, водородные связи являются самой сильной межмолекулярной силой. В результате, когда происходит повышение давления или температуры вещества, эти связи нарушаются. Поскольку эти связи прочные, для разрыва этих связей требуется больше энергии, чем для разрыва Ван-дер-Вааля или диполь-дипольных сил.