تحقیق شیمی

وقتی اتم هیدروژن به دو یا چند اتم دیگر پیوند شده باشد, یک پیوند هیدروژنی وجود دارد این تعریف اشاره بر این دارد که پیوند هیدروژنی نمی تواند یک پیوند کووالانسی عادی باشد, زیرا اتم هیدروژن تنها یک اوربیتال ۱S در سطح انرژی به قدر کافی پایین دارد که درگیر تشکیل پیوند کووالانسی شود

● مقدمه

وقتی اتم هیدروژن به دو یا چند اتم دیگر پیوند شده باشد، یک پیوند هیدروژنی وجود دارد. این تعریف اشاره بر این دارد که پیوند هیدروژنی نمی‌تواند یک پیوند کووالانسی عادی باشد، زیرا اتم هیدروژن تنها یک اوربیتال (۱S) در سطح انرژی به قدر کافی پایین دارد که درگیر تشکیل پیوند کووالانسی شود

▪ جاذبه ی بین مولکولی و پی.وند هیدروژنی :

جاذبه بین مولکولی در برخی از ترکیبات هیدروژن‌دار بطور غیر عادی قوی است. این جاذبه در ترکیباتی مشاهده می‌شود که در آنها بین هیدروژن و عناصری که اندازه کوچک و الکترونگاتیوی زیاد دارند، پیوند هیدروژنی وجود دارد. در این ترکیبات ، اتم عنصر الکترونگاتیو چنان جاذبه شدیدی بر الکترونهای پیوندی اعمال می‌کند که در نتیجه آن ، هیدروژن دارای بار مثبت قابل ملاحظه +۹۴۸; می‌گردد. هیدروژن در این حالت ، تقریبا به صورت یک پروتون بی‌حفاظ است، زیرا این عنصر فاقد الکترون پوششی است. اتم هیدروژن یک مولکول و زوج الکترون غیر مشترک مولکول دیگر ، متقابلا همدیگر را جذب می‌کنند و پیوندی تشکیل می‌شود که به پیوند هیدروژنی مرسوم است. هر اتم هیدروژن قادر است تنها یک پیوند هیدروژنی تشکیل دهد.

▪ نقطه جوش و پیوند هیدروژنی :

ترکیباتی که پیوند هیدروژنی دارند، خواص غیر عادی از خود نشان می‌دهند. تغییرات نقاط جوش در مجموعه ترکیبات SnH۴ , GeH۴ , SiH۴ , CH۴ مطابق روال پیش بینی شده برای ترکیبات است نیروهای بین مولکولی آنها منحصر به نبروهای لاندن است. نقطه جوش در این مجموعه با افزایش اندازه مولکولی ، زیاد می‌شود. ترکیبات هیدروژنی عناصر گروه چهار اصلی ، مولکولهای ناقطبی هستند. اتم مرکزی هر مولکول فاقد زوج الکترون غیر مشترک است. در گروههای پنج ، شش و هفت اصلی نیروهای دو قطبی - دوقطبی به نیروهای لاندن در چسباندن مولکولها به یکدیگر کمک می‌کند. ولی نقطه جوش نخستین عنصر هر مجموعه (NH۳,H۲O , HF) بطور غیر عادی بالاتر از نقاط جوش سایر اعضای آن مجموعه است. پیوند هیدروژنی در هر یک از این سه ترکیب ، جدا شدن مولکولها را از مایع مشکلتر می‌کند.

▪ سایر خواص غیر عادی مربوط به پیوند هیدروژنی :

ترکیباتی که مولکولهای آنها از طریق پیوند هیدروژنی به همدیگر پیوسته‌اند، علاوه بر دارا بودن نقاط جوش بالا ، بطور غیرعادی در دمای بالا ذوب می‌شوند و آنتالپی تبخیر ، آنتالپی ذوب و گرانروی آنها زیاد است.

▪ شروط تشکیل پیوند هیدروژنی قوی:

ـ مولکولی که پروتون را برای تشکیل پیوند هیدروژنی در اختیار می‌گذارد (مولکول پروتون دهنده) باید چنان قطبیتی داشته باشد که بار +۹۴۸; اتم هیدروژن نسبتا زیاد باشد. افزایش قدرت پیوند هیدروژنی به ترتیب N-H.....N<O_H_O

ـ اتم مولکول پروتون گیرنده که زوج الکترون لازم برای تشکیل پیوند هیدروژنی را در اختیار می‌گذارد، باید نسبتا کوچک باشد. پیوند هیدروژنی واقعا موثر یا قوی فقط در ترکیبات فلوئور ، اکسیژن و نیتروژن تشکیل می‌شوند. ترکیبات کلر پیوند هیدروژنی ضعیف تشکیل می‌دهند و این خصلت ، با توجه به تغییر جزئی نقطه جوش HCl پیداست. الکترونگاتیوی کلر تقریبا با نیتروژن برابر است. ولی چون اتم کلر بزرگتر از اتم نیتروژن است، پراکندگی ابر الکترونی در اتم کلر بیش از اتم نیتروژن می‌باشد

▪ مقایسه پیوند هیدروژنی در آب و هیدروژن فلوئورید :

تاثیر پیوند هیدروژنی به نقطه جوش آب بیش از هیدروژن فلوئورید است. اگر چه قدرت پیوند O−H…O در حدود ۲.۳ قدرت پیوند F_H…F است، ولی تاثیر فوق مشاهده می‌شود. بطور متوسط ، تعداد پیوندهای هیدروژنی به ازای هر مولکول در H۲O دو برابر آن در HF است. اتم اکسیژن در هر مولکول آب ، با دو اتم هیدروژن پیوند دارد و دارای دو زوج الکترون آزاد غیر مشترک است. اتم فلوئور در مولکول هیدروژن فلوئورید ، سه زوج الکترون آزاد دارد که می‌توانند با اتمهای هیدروژن پیوند تشکیل دهند ولی فقط دارای یک اتم هیدروژن است که می‌تواند با ان پیوند هیدروژنی تشکیل دهد.

▪ پیوند هیدروژنی و یخ :

پیوند هیدروژنی در آب به مقدار خیلی زیاد بر روی سایر خواص آن نیز تاثیر می‌گذارد. آرایش چهار وجهی اتمهای هیدروژن و زوج الکترونهای غیر مشترک اکسیژن در آب ، سبب می‌شوند که پیوندهای هیدروژنی بلور یخ دارای چنین آرایشی باشد و منبع به ساختار گشوده بلور یخ می‌شوند. به همین علت چگالی یخ نسبتا کم است. در نقطه انجماد آب ، مولکولها به هم نزدیکترند و به همین علت و بطور غیر متعارف چگالی آب بیشتر از چگالی یخ است. باید توجه داشت که مولکولهای H۲O در حالت مایع توسط پیوندهای هیدروژنی به هم پیوسته‌اند ولی میزان این پیوستگی و استحکام آن در حالت مایع کمتر از جامد (یخ) است.

▪ پیوند هید روژنی و انحلال پذیری ترکیبات مختلف :

با توجه به پیوند هیدروژنی می‌توان انحلال پذیری غیر منتظره برخی ترکیبات حاوی اکسیژن ، نیتروژن و فلوئور را در برخی حلالهای هیدروژن‌دار بویژه آب ، توجیه کرد. مثلا آمونیاک (۳NH) و متانول (CH۳ OH) با تشکیل پیوندهای هیدروژنی در آب حل می‌شوند. علاوه بر این ، برخی آنیونهای اکسیژن‌دار (مانند یون سولفات ، ۴۲+SO) ، با تشکیل پیوند هیدروژنی در آب حل می‌شوند.

▪ نقش پیوند هیدروژنی در سیستم های زنده :

پیوند هیدروژنی در تعیین ساختار و خواص مولکولهای سیستمهای زنده نقش اساسی دارد. اجزای مارپیچ آلفا در ساختار پروتئینها و اجزای مارپیچ دوگانه در ساختمان DNA توسط پیوند هیدروژنی به هم می‌پیوندند تشکیل و گسسته شدن پیوندهای هیدروژنی در تقسیم یاخته و سنتز پروتئینهای آن دارای اهمیت اساسی است.

▪ کشش سطحی :

حتما تاکنون ایستادن حشرات را در سطح آب رودخانه‌ها دیده‌اید. علت این امر و پیوند هیدروژنی بین مولکولهای آب سطح رودخانه و ایجاد کشش سطحی و در نتیجه یک لایه به هم پیوسته و تور مانند در سطح آب است که وزن پاهای نازک حشرات را می‌تواند تحمل کند.

▪ نحوه تشکیل پیوند هیدروژنی :

پیوند هیدروژنی بر اثر جاذبه اتم هیدروژن جزئی مثبت موجود در یک مولکول و اتم بسیار الکترونگاتیو (F,O,N) موجود در مولکول دیگر تولید می گردد. قویترین پیوندهای هیدروژنی در سیستم هایی تشکیل می شوند که در آنها هیدروژن به الکترونگاتیوترین عناصر پیوند شده باشد. جا به جا شدن یک جفت الکترون به سمت عنصر بسیار الکترونگاتیو نیتروژن، اکسیژن یا فلوئوری موجب می شود که این اتمها دارای بار منفی جزئی شوند.

در این صورت پیوند هیدروژنی پلی است میان دو اتم شدیداً الکترونگاتیو با یک اتم هیدروژن که از طرفی به طور کووالانسی با یکی از اتمهای الکترونگاتیو و از طرف دیگر به طور الکترواستاتیکی(جاذبه مثبت به منفی) با اتم الکترونگاتیو دیگر پیوند یافته است. استحکام پیوند هیدروژنی یک دهم تا یک پنجاهم قدرت یک پیوند کووالانسی متوسط است.

▪ شرایط تشکیل پیوند هیدروژنی :

ـ بالا بودن الکترونگاتیوی اتمهای متصل به هیدروژن: بر همین اساس است که فلوئور (الکترونگاتیوترین عنصر)، قویترین پیوند هیدروژنی و اکسیژن (الکترونگاتیوتر از نیتروژن)، پیوند هیدروژنی قویتری در مقایسه با نیتروژن تشکیل می دهد. همچنین بار مثبت زیاد بر روی اتم هیدروژن، زوج الکترون مولکول دیگر را به شدت جذب می کند و کوچک بودن اندازه اتم هیدروژن سبب می شود که مولکول دوم بتواند به آن نزدیک شود.

ـ کوچک بودن اتمهای متصل به هیدروژن: پیوند هیدروژنی واقعاً موثر فقط در ترکیبات فلوئور، اکسیژن و نیتروژن تشکیل می شود.

● توجیه خواص غیر عادی برخی از مواد

وجود خواص غیر عادی برخی از مواد در حالت جامد یا مایع از جمله بالا بودن دماهای ذوب و جوش، نشان می دهد که نیروی جاذبه بین مولکولی در آنها به اندازه ای زیاد است که نمی توان آن را به تاثیرهای متقابل ضعیف بین مولکولی نسبت داد. آشناترین این نوع مواد، فلوئورید هیدروژن، آب و آمونیاک است که بسیاری از خواص آنها از جمله دماهای جوش و ذوب آنها از دماهای جوش و ذوب ترکیبهای مشابه خود، برای مثال PH۳-H۲S-HCL به طور غیر منتظره ای بالاتر است.

شاید تصور شود که علت این وضعیت غیر عادی، قطبیت به نسبت زیاد این مولکولهاست. البته تا اندازه ای همین طور است. اما بررسی دقیق این پدیده غیر عادی نشان می دهد که باید نیروی جاذبه قویتر از نیروهای جاذبه دو قطبی- دو قطبی بین مولکولهای آنها برقرار باشد.

اگر به ساختار الکترونی مولکولهای NH۳-H۲O-HF توجه شود، می توان به موردهای مشترک بین آنها پی برد. این وجه اشتراک، وجود دست کم یک پیوند کووالانسی با اتم هیدروژن و یک اوربیتال هیبریدی ناپیوندی دو الکترونی اتم مرکزی بسیار الکترونگاتیو در هر یک از آنهاست.

اتمهای (F,O,N) الکترونگاتیوی بالایی دارند. جفت الکترون ناپیوندی و قابل واگذاری روی اتم الکترونگاتیو H، این امکان را پدید می آورد که اتم هیدروژن در نقش پل، اتم های الکترونگاتیو دو مولکول را به یکدیگر متصل کند و نیروی جاذبه بین مولکولی به وجود می آید که به پیوند هیدروژنی مرسوم است.

● خواص ترکیبات دارای پیوند هیدروژنی

ترکیباتی که مولکولهای آنها از طریق پیوند هیدروژنی به همدیگر پیوسته اند، علاوه بر دارا بودن نقاط جوش بالا، به طور غیر عادی در دمای بالا ذوب می شوند و آنتالپی ذوب و گرانروی آنها زیاد است.

▪ علت شناور بودن یخ:

یخ روی آب شناور می ماند زیرا به هنگام انجماد منبسط می شود سبب این انبساط پیوند هیدروژنی میان مولکول های خمیده آب است. ساختار خمیده مولکول آب ناشی از آرایش چهار وجهی چهار جفت الکترون در لایه ظرفیت یک اتم است. ساختار زاویه ای مولکول آب و پیوند هیدروژنی میان مولکولهای آب به آن معنی است که هر مولکول آب می تواند حداکثر با چهار مولکول آب دیگر پیوند هیدروژنی داشته باشد.

پس آب مایع را می توان به صورت خوشه هایی از مولکولهای آب تصور کرد،خوشه هایی که با پیوند هیدروژنی از مولکولهای آب ساخته شده اند و دائم در حال حرکتند. شمار مولکولها در هر خوشه و سرعت حرکت خوشه ها به دما بستگی دارد. با سرد شدن آب، مجموعه هایی از مولکولهای آب که سرعت در حرکت اند، کند می شوند و در نقطه انجماد به یکدیگر قلاب شده ساختمان سه بعدی منبسط شده ای را به وجود می آورند. این ساختمان گسترده تر موجب می شود که تراکم یخ کمتر از آب باشد.

ذوب شدن یخ در حدود ۱۵% انرژی پیوندهای هیدروژنی را می شکند و این امر سبب فرو ریختن ساختار می شود. در نتیجه مایعی متراکم حاصل می گردد.

● چرا نقطه جوش آب بالا است؟

خاصیت عجیب دیگر آب، نقطه جوش نسبتاً زیاد آن است. تقریباً تمام ترکیبات هیدروژن دار مجاور اکسیژن و اعضای خانواده آن یعنی CH۴-NH۳-H۲S-H۲Se-H۲Te-PH۳-HCL در دمای اتاق به حالت گازی هستند. اما آب مایع است. برای آنکه یک مولکول به حالت بخار در آید، باید انرژی جذب کند تا بتواند خود را از قید مولکولهای دیگر آزاد کند. چون آب مایع با پیوند هیدروژنی به صورت خوشه هایی از مولکول ها در می آید، برای شکسته شدن پیوندهای هیدروژنی آن، انرژی زیاد لازم است.

اما همه پیوندهای هیدروژنی شکسته نمی شوند و خوشه هایی از مولکولهای آب حتی در نزدیکی ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد هنوز وجود دارند. وقتی آب گرم می شود، آشفتگی گرمایی پیوند هیدروژنی را می گسلد تا آنکه در بخار آب، فقط جزء کوچکی از شمار پیوندهای هیدروژنی موجود در آب مایع یا جامد باقی می ماند. اگر پیوند محکم میان مولکولی از قبیل پیوند هیدروژنی وجود نداشته باشد، مواد معمولاً بنا به جرم مولکولی خود به جوش می آیند.

جرم های مولکولی بزرگتر برای جوش آمدن به دمای زیادتری نیازمندند. عمدتاً به این دلیل که ابرهای الکترونی بزرگتر آسانتر واپیچیده می شوند و این امر، منجر به نیروهای لاندن بین مولکولی قویتر می شود.