אם תסתכל על הכרונולוגיה של המחקר במדעי הכימיה על יכולתם של אטומים של יסודות שונים לקיים אינטראקציה זה עם זה, נוכל לייחד את אמצע המאה ה-19. באותה תקופה, מדענים הסבו את תשומת הלב לעובדה שתרכובות מימן של חמצן, פלואור, חנקן מאופיינות בקבוצת תכונות שניתן לכנותן חריגות.
אלו, קודם כל, נקודות התכה ורתיחה גבוהות מאוד, למשל, עבור מים או מימן פלואוריד, שהן גבוהות יותר מאשר עבור תרכובות דומות אחרות. נכון לעכשיו, כבר ידוע שתכונות אלה של חומרים אלה נקבעות על ידי התכונה של אטומי מימן ליצור סוג יוצא דופן של קשר עם האטומים של יסודות בעלי אינדקס אלקטרושליליות גבוה. הם קראו לזה מימן. תכונות הקשר, הפרטים של היווצרותו ודוגמאות לתרכובות המכילות אותו הם הנקודות העיקריות בהן נתמקד במאמרנו.
סיבה לחיבור
פעולת כוחות המשיכה האלקטרוסטטית היאהבסיס הפיזי להופעת רוב סוגי הקשרים הכימיים. סוגי הקשרים הכימיים שנוצרו עקב אינטראקציה של גרעיני אטום הפוך של יסוד אחד ואלקטרונים של יסוד אחר ידועים היטב. אלו הם קשרים קוולנטיים לא קוטביים וקוטביים, האופייניים לתרכובות פשוטות ומורכבות של יסודות לא מתכתיים.
לדוגמה, בין אטום הפלואור, בעל האלקטרושליליות הגבוהה ביותר, לבין החלקיק האלקטרוניטרלי של מימן, שענן בעל האלקטרון האחד שלו היה שייך בתחילה רק לאטום H, חל שינוי בצפיפות המטען השלילי.. כעת ניתן לכנות בצדק את אטום המימן עצמו פרוטון. מה יקרה אחר כך?
אינטראקציה אלקטרוסטטית
ענן האלקטרונים של אטום המימן עובר כמעט לחלוטין לעבר חלקיק הפלואור, והוא רוכש עודף מטען שלילי. בין עירום, כלומר חסר צפיפות שלילית, אטום מימן - פרוטון, לבין יון F- של מולקולת מימן פלואוריד השכנה, בא לידי ביטוי כוח המשיכה האלקטרוסטטית. זה מוביל להופעת קשרי מימן בין מולקולריים. בשל התרחשותו, מספר מולקולות HF יכולות ליצור שותפים יציבים בבת אחת.
התנאי העיקרי ליצירת קשר מימן הוא נוכחות של אטום של יסוד כימי בעל אלקטרושליליות גבוהה ופרוטון מימן המקיים איתו אינטראקציה. סוג זה של אינטראקציה בולט ביותר בתרכובות חמצן ופלואור (מים, מימן פלואוריד), פחות בחומרים המכילים חנקן, כמו אמוניה, ועוד פחות בתרכובות גופרית וכלור.דוגמאות לקשרי מימן הנוצרים בין מולקולות ניתן למצוא גם בחומרים אורגניים.
לכן, באלכוהול בין אטומי החמצן והמימן של קבוצות ההידרוקסיל הפונקציונליות, נוצרים גם כוחות משיכה אלקטרוסטטיים. לכן, כבר הנציגים הראשונים של הסדרה ההומולוגית - מתנול ואתיל אלכוהול - הם נוזלים, לא גזים, כמו חומרים אחרים בהרכב ובמשקל מולקולרי זה.
אנרגיה אופיינית לתקשורת
בואו נשווה את עוצמת האנרגיה של קשרי מימן קוולנטיים (40–100 קק"ל/מול). הדוגמאות שלהלן מאשרות את ההצהרה הבאה: סוג המימן מכיל רק 2 קק"ל/מול (בין דימרי אמוניה) עד 10 קק"ל/מול אנרגיה בתרכובות פלואור. אבל מסתבר שזה מספיק כדי שחלקיקים של חומרים מסוימים יוכלו להיקשר לשותפים: דימרים, טטרה - ופולימרים - קבוצות המורכבות ממולקולות רבות.
הם לא נמצאים רק בשלב הנוזלי של התרכובת, אלא ניתן לשמר אותם מבלי להתפורר, כאשר הם עוברים למצב גז. לכן, קשרי מימן, המחזיקים מולקולות בקבוצות, גורמים לנקודות רתיחה והתכה גבוהות באופן חריג של אמוניה, מים או מימן פלואוריד.
איך מולקולות מים מתחברות
גם לחומרים אנאורגניים וגם לחומרים אורגניים יש כמה סוגים של קשרים כימיים. הקשר הכימי שנוצר בתהליך ההתאגדות של חלקיקים קוטביים זה עם זה, ונקרא מימן בין מולקולרי, יכול לשנות באופן קיצוני את הפיזיקו-כימיקליםמאפייני חיבור. הבה נוכיח קביעה זו על ידי התחשבות בתכונות המים. למולקולות H2O יש צורה של דיפולים - חלקיקים שהקטבים שלהם נושאים מטענים מנוגדים.
מולקולות שכנות נמשכות זו לזו על ידי פרוטוני המימן הטעונים בחיוב והמטענים השליליים של אטום החמצן. כתוצאה מתהליך זה נוצרים קומפלקסים מולקולריים - שותפים, המובילים להופעת נקודות רתיחה והתכה גבוהות באופן חריג, קיבולת חום גבוהה ומוליכות תרמית של התרכובת.
המאפיינים הייחודיים של המים
נוכחות של קשרי מימן בין חלקיקי H2O אחראית לרבות מהתכונות החיוניות שלו. מים מספקים את התגובות המטבוליות החשובות ביותר - הידרוליזה של פחמימות, חלבונים ושומנים המתרחשת בתא - ומהווים ממס. מים כאלה, שהם חלק מהציטופלזמה או הנוזל הבין-תאי, נקראים חופשיים. הודות לקשרי מימן בין מולקולות, הוא יוצר קליפות הידרציה סביב חלבונים וגליקופרוטאין, המונעים היצמדות בין מקרומולקולות פולימריות.
במקרה זה, המים נקראים מובנים. הדוגמאות שהבאנו לקשר המימן המתרחש בין חלקיקי H2O מוכיחות את תפקידו המוביל ביצירת התכונות הפיזיקליות והכימיות הבסיסיות של חומרים אורגניים - חלבונים ופוליסכרידים, בתהליכי הטמעה והתפזרות המתרחשים במערכות אורגניזמים חיים, כמו גם בהבטחת האיזון התרמי שלהם.
קשר מימן תוך-מולקולרי
חומצה סליצילית היא אחת התרופות הידועות והנמצאות זמן רב בשימוש עם השפעות אנטי דלקתיות, ריפוי פצעים ואנטי מיקרוביאליות. החומצה עצמה, נגזרות ברום של פנול, תרכובות מורכבות אורגניות מסוגלות ליצור קשר מימן תוך מולקולרי. הדוגמאות שלהלן מציגות את מנגנון היווצרותו. לכן, בתצורה המרחבית של מולקולת החומצה הסליצילית, הגישה של אטום החמצן של קבוצת הקרבוניל ושל פרוטון המימן של רדיקל ההידרוקסיל אפשרית.
בשל האלקטרושליליות הגדולה יותר של אטום החמצן, האלקטרון של חלקיק המימן נופל כמעט לחלוטין תחת השפעת גרעין החמצן. נוצר קשר מימן בתוך מולקולת החומצה הסליצילית, מה שמגביר את החומציות של התמיסה עקב עלייה בריכוז יוני המימן בה.
לסיכום, אפשר לומר שסוג זה של אינטראקציה בין אטומים מתבטא אם קבוצת התורם (החלקיק התורם אלקטרון) והאטום המקובל שמקבל אותו הם חלק מאותה מולקולה.
