Ja paskatās hronoloģiju ķīmijas zinātnē par dažādu elementu atomu savstarpējās mijiedarbības spēju, var izcelt 19. gadsimta vidu. Toreiz zinātnieki vērsa uzmanību uz to, ka skābekļa, fluora, slāpekļa ūdeņraža savienojumiem ir raksturīga īpašību grupa, ko var saukt par anomālu.
Tās, pirmkārt, ir ļoti augstas kušanas un viršanas temperatūras, piemēram, ūdenim vai fluorūdeņradim, kas ir augstākas nekā citiem līdzīgiem savienojumiem. Šobrīd jau zināms, ka šīs šo vielu īpašības nosaka ūdeņraža atomu īpašība veidot neparastu saiti ar elementu atomiem, kuriem ir augsts elektronegativitātes indekss. Viņi to sauca par ūdeņradi. Saites īpašības, tās veidošanās specifika un to saturošu savienojumu piemēri ir galvenie punkti, kuriem mēs pievērsīsimies mūsu rakstā.
Savienojuma iemesls
Elektrostatiskās pievilkšanās spēku darbība irvairuma veidu ķīmisko saišu parādīšanās fiziskais pamats. Ir labi zināmi ķīmisko saišu veidi, kas radušies viena elementa pretēji lādētu atomu kodolu un cita elementa elektronu mijiedarbības rezultātā. Tās ir kovalentās nepolārās un polārās saites, kas raksturīgas vienkāršiem un sarežģītiem nemetālisku elementu savienojumiem.
Piemēram, starp fluora atomu, kuram ir vislielākā elektronegativitāte, un ūdeņraža elektroneitrālo daļiņu, kuras viena elektrona mākonis sākotnēji piederēja tikai H atomam, notiek negatīvi lādētā blīvuma nobīde.. Tagad pašu ūdeņraža atomu var pamatoti saukt par protonu. Kas notiks tālāk?
Elektrostatiskā mijiedarbība
Ūdeņraža atoma elektronu mākonis gandrīz pilnībā virzās uz fluora daļiņu, un tas iegūst pārmērīgu negatīvo lādiņu. Starp neapbruņotu, tas ir, bez negatīva blīvuma, ūdeņraža atomu - protonu un blakus esošās fluorūdeņraža molekulas F- jonu, izpaužas elektrostatiskās pievilkšanās spēks. Tas noved pie starpmolekulāru ūdeņraža saišu parādīšanās. Tā rašanās dēļ vairākas HF molekulas var vienlaikus veidot stabilus savienojumus.
Galvenais nosacījums ūdeņraža saites veidošanai ir ķīmiskā elementa atoma klātbūtne ar augstu elektronegativitāti un ūdeņraža protonu, kas ar to mijiedarbojas. Šāda veida mijiedarbība visizteiktākā ir skābekļa un fluora savienojumos (ūdenī, fluorūdeņradi), mazāk slāpekli saturošās vielās, piemēram, amonjakā, bet vēl mazāk sēra un hlora savienojumos. Ūdeņraža saišu piemērus, kas veidojas starp molekulām, var atrast arī organiskajās vielās.
Tādējādi spirtos starp funkcionālo hidroksilgrupu skābekļa un ūdeņraža atomiem rodas arī elektrostatiskie pievilkšanas spēki. Tāpēc jau pirmie homologās sērijas pārstāvji - metanols un etilspirts - ir šķidrumi, nevis gāzes, tāpat kā citas šāda sastāva un molekulmasas vielas.
Saziņas enerģētiskā īpašība
Salīdzināsim kovalento (40–100 kcal/mol) un ūdeņraža saišu enerģijas intensitāti. Tālāk sniegtie piemēri apstiprina šādu apgalvojumu: ūdeņraža veids satur tikai 2 kcal/mol (starp amonjaka dimēriem) līdz 10 kcal/mol fluora savienojumos. Bet izrādās, ka ar to pietiek, lai dažu vielu daļiņas varētu saistīties: dimēri, tetra un polimēri - grupas, kas sastāv no daudzām molekulām.
Tie atrodas ne tikai savienojuma šķidrā fāzē, bet arī var saglabāties nesadaloties, pārejot gāzes stāvoklī. Tāpēc ūdeņraža saites, kas satur molekulas grupās, izraisa neparasti augstu amonjaka, ūdens vai ūdeņraža viršanas un kušanas temperatūru.
Kā ūdens molekulas asociējas
Gan neorganiskajām, gan organiskajām vielām ir vairāku veidu ķīmiskās saites. Ķīmiskā saite, kas rodas polāro daļiņu savstarpējās saistīšanās procesā un ko sauc par starpmolekulāro ūdeņradi, var radikāli mainīt fizikāli ķīmisko.savienojuma īpašības. Pierādīsim šo apgalvojumu, ņemot vērā ūdens īpašības. Molekulām H2O ir dipolu forma - daļiņas, kuru poliem ir pretējs lādiņš.
Kaimiņmolekulas viena pie otras piesaista pozitīvi lādētie ūdeņraža protoni un skābekļa atoma negatīvie lādiņi. Šī procesa rezultātā veidojas molekulārie kompleksi - asociētie savienojumi, kas izraisa neparasti augstu viršanas un kušanas temperatūru, augstu savienojuma siltumietilpību un siltumvadītspēju.
Ūdens unikālās īpašības
Ūdeņraža saišu klātbūtne starp H2O daļiņām ir atbildīga par daudzām tā dzīvībai svarīgām īpašībām. Ūdens nodrošina vissvarīgākās vielmaiņas reakcijas – šūnā notiekošo ogļhidrātu, olb altumvielu un tauku hidrolīzi – un ir šķīdinātājs. Šādu ūdeni, kas ir daļa no citoplazmas vai starpšūnu šķidruma, sauc par brīvu. Pateicoties ūdeņraža saitēm starp molekulām, tas veido hidratācijas apvalkus ap olb altumvielām un glikoproteīniem, kas novērš pielipšanu starp polimēra makromolekulām.
Šajā gadījumā ūdeni sauc par strukturētu. Mūsu sniegtie piemēri par ūdeņraža saiti, kas rodas starp H2O daļiņām, pierāda tās vadošo lomu organisko vielu – olb altumvielu un polisaharīdu – fizikālo un ķīmisko pamatīpašību veidošanā, dzīvos organismos notiekošajos asimilācijas un disimilācijas procesos.sistēmās, kā arī to termiskā līdzsvara nodrošināšanā.
Intramolekulārā ūdeņraža saite
Salicilskābe ir viena no labi zināmajām un sen lietotajām zālēm ar pretiekaisuma, brūču dzīšanas un pretmikrobu iedarbību. Pati skābe, fenola broma atvasinājumi, organiskie kompleksie savienojumi spēj veidot intramolekulāru ūdeņraža saiti. Zemāk esošie piemēri parāda tā veidošanās mehānismu. Tātad salicilskābes molekulas telpiskajā konfigurācijā ir iespējama karbonilgrupas skābekļa atoma un hidroksilgrupas ūdeņraža protona tuvošanās.
Skābekļa atoma lielākas elektronegativitātes dēļ ūdeņraža daļiņas elektrons gandrīz pilnībā nonāk skābekļa kodola ietekmē. Salicilskābes molekulas iekšpusē rodas ūdeņraža saite, kas palielina šķīduma skābumu, jo tajā palielinās ūdeņraža jonu koncentrācija.
Apkopojot, mēs varam teikt, ka šāda veida mijiedarbība starp atomiem izpaužas, ja donora grupa (daļiņa, kas nodod elektronu) un akceptora atoms, kas to pieņem, ir daļa no vienas molekulas.
