بیشتر افراد با مفهوم پیوندهای یونی و کووالانسی راحت هستند، اما درباره پیوندهای هیدروژنی و چگونگی تشکیل و اهمیت آن ها اطمینان ندارند.

• پیوند هیدروژنی جذابی بین دو اتم است که در حال حاضر در دیگر پیوندهای شیمیایی شرکت دارند. یکی از اتم ها هیدروژن است و دیگری می تواند هر اتم الکترو منفی مانند اکسیژن، کلر یا فلوئور باشد.
• پیوندهای هیدروژنی می توانند بین اتم ها در یک مولکول یا بین دو مولکول جداگانه تشکیل شوند.
• پیوند هیدروژنی ضعیف تر از پیوند یونی یا پیوند کووالانسی است، اما قوی تر از نیروهای وان دروالس است.
• پیوندهای هیدروژنی نقش مهمی در بیوشیمی ایفا کرده و بسیاری از خواص منحصر به فرد آب را تولید می کنند.

تعریف پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی نوعی تعامل جذبی (دو قطبی-دو قطبی) بین یک اتم الکترو منفی و یک اتم هیدروژن است که به اتم الکترو منفی دیگری متصل است. این پیوند همیشه شامل یک اتم هیدروژن است. پیوندهای هیدروژنی می توانند بین مولکول ها یا در قسمت های یک مولکول واحد رخ دهند.

پیوند هیدروژنی تمایل دارد قوی تر از نیروهای وان دروالس باشد، اما ضعیف تر از پیوندهای کووالانسی یا یونی است. این پیوند حدود 1/20 (5%) از قدرت پیوند کووالانسی بین O-H را دارد. با این حال، حتی این پیوند ضعیف نیز به اندازه ای قوی است که بتواند در برابر نوسانات جزئی دما مقاومت کند.

اما اتم ها در حال حاضر متصل هستند

چگونه می تواند هیدروژن به یک اتم دیگر جذب شود در حالی که در حال حاضر متصل است؟ در یک پیوند قطبی، یک سمت پیوند هنوز یک بار مثبت جزئی دارد، در حالی که سمت دیگر دارای بار منفی جزئی است. تشکیل یک پیوند، ماهیت الکتریکی اتم های شرکت کننده را خنثی نمی کند.

مثال هایی از پیوندهای هیدروژنی

پیوندهای هیدروژنی در اسیدهای نوکلئیک بین جفت های باز و بین مولکول های آب یافت می شوند. همچنین پیوندهای هیدروژنی بین اتم های هیدروژن و کربن در مولکول های کلروفرم مختلف، بین اتم های هیدروژن و نیتروژن مولکول های همسایه آمونیاک، بین زیرواحدهای تکراری در پلیمر نایلون و بین هیدروژن و اکسیژن در استیل استون تشکیل می شوند. بسیاری از مولکول های آلی تحت تأثیر پیوندهای هیدروژنی قرار دارند. پیوند هیدروژنی:

• به اتصال فاکتورهای رونویسی به DNA کمک می کند
• در اتصال آنتی ژن به آنتی بادی کمک می کند
• پلی پپتیدها را به ساختارهای ثانویه مانند حلزون آلفا و ورق بتا سازمان دهی می کند
• دو رشته DNA را با هم نگه می دارد
• فاکتورهای رونویسی را به یکدیگر متصل می کند

پیوند هیدروژنی در آب

اگرچه پیوندهای هیدروژنی بین هیدروژن و هر اتم الکترو منفی دیگری تشکیل می شوند، اما پیوندهای موجود در آب رایج تر (و برخی ممکن است بگویند، مهم ترین) هستند. پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب همسایه زمانی شکل می گیرند که هیدروژن یک اتم بین اتم های اکسیژن مولکول خود و مولکول همسایه اش قرار می گیرد. این اتفاق می افتد زیرا اتم هیدروژن به اکسیژن خود و دیگر اتم های اکسیژن که به اندازه کافی نزدیک هستند، جذب می شود. هسته اکسیژن دارای 8 بار مثبت است، بنابراین الکترون ها را بهتر از هسته هیدروژن که تنها دارای یک بار مثبت است، جذب می کند. بنابراین، مولکول های اکسیژن همسایه قادر به جذب اتم های هیدروژن از مولکول های دیگر هستند و اساس تشکیل پیوند هیدروژنی را فراهم می کنند.

تعداد کل پیوندهای هیدروژنی که بین مولکول های آب تشکیل می شود، ۴ است. هر مولکول آب می تواند ۲ پیوند هیدروژنی بین اکسیژن و دو اتم هیدروژن موجود در مولکول ایجاد کند. همچنین دو پیوند اضافی نیز می تواند بین هر اتم هیدروژن و اتم های اکسیژن نزدیک تشکیل شود.

یک نتیجه از پیوندهای هیدروژنی این است که این پیوندها تمایل دارند به صورت یک چهاروجهی alrededor هر مولکول آب ترتیب یابند که منجر به ساختار معروف بلورهای برف می شود. در آب مایع، فاصله بین مولکول های مجاور بیشتر است و انرژی مولکول ها آنقدر بالا است که پیوندهای هیدروژنی اغلب کشیده و شکسته می شوند. با این حال، حتی مولکول های آب مایع به طور متوسط در یک آرایش چهاروجهی قرار می گیرند. به خاطر وجود پیوندهای هیدروژنی، ساختار آب مایع در دماهای پایین تر منظم تر می شود که این موضوع در سایر مایعات کمتر مشاهده می شود. پیوندهای هیدروژنی مولکول های آب را حدود ۱۵ درصد نزدیک تر از آنچه که در صورت عدم وجود این پیوندها اتفاق می افتد نگه می دارد. این پیوندها دلیل اصلی بروز خواص شیمیایی جالب و غیرعادی آب هستند.

• پیوند هیدروژنی تغییرات شدید دما را در نزدیکی آب های بزرگ کاهش می دهد.
• پیوند هیدروژنی به حیوانات این امکان را می دهد که با استفاده از عرق کردن، خود را خنک کنند زیرا برای شکستن پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب به مقدار زیادی حرارت نیاز است.
• پیوند هیدروژنی آب را در حالت مایع خود در یک دمای وسیع تر از هر مولکول دیگری با اندازه مشابه حفظ می کند.
• پیوند هیدروژنی سبب می شود آب دارای تبخیر حرارتی بسیار بالایی باشد که به معنای نیاز به انرژی حرارتی قابل توجهی برای تغییر آب مایع به بخار آب است.

پیوندهای هیدروژنی در آب سنگین حتی قوی تر از آنهایی است که در آب معمولی که با هیدروژن نرمال (پروتیوم) ساخته می شود، وجود دارد. پیوند هیدروژنی در آب تریتیوم حتی قوی تر است.