Transcript پیوند هیدروژنی ► تهیه کنندگان : ► آیدا زاهدی ► آرتا دولت آبادی ► ستاره هوشمند مقدمه وقتی اتم هیدروژن به دو یا چند اتم دیگر پیوند.

‫پیوند هیدروژنی‬
‫► تهیه کنندگان‪:‬‬
‫► آیدا زاهدی‬
‫► آرتا دولت آبادی‬
‫► ستاره هوشمند‬
‫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
‫در سطح )‪S‬کوواالنسی عادی باشد‪ ،‬زیرا اتم هیدروژن تنها یک اوربیتال (‪1‬‬
‫انرژی به قدر کافی پایین دارد که درگیر تشکیل پیوند کوواالنسی شود‬
‫تعریف‬
‫هرگاه هیدروژن به اتمی با الکترونگاتیوی زیاد مثل فلوئور ‪ ،‬اکسیژن یا نیتروژن‬
‫متصل گردد شرایطی برای بوجود آمدن نوع بسیاری مهمی جاذبه بین مولکولی‬
‫مثبت ـ منفی که آن را پیوند هیدروژنی میگویند حاصل میشود‪ .‬به عبارت دیگر ‪،‬‬
‫اتم هیدروژن یک مولکول و زوج الکترون غیر مشترک مولکول دیگر متقابال‬
‫همدیگر را جذب میکنند و پیوندی تشکیل میشود که به پیوند هیدروژنی مرسوم‬
‫‪.‬است‬
‫شرایط تشکیل پیوند هیدروژنی‬
‫باال بودن الکترونگاتیوی اتمهای متصل به هیدروژن ‪:‬‬
‫برهمین اساس است که فلوئور (الکترونگاتیوترین عنصر) قویترین پیوند‬
‫هیدروژنی و اکسیژن (الکترونگاتیوتر از نیتروژن) پیوند هیدروژنی قویتری‬
‫درمقایسه با نیتروژن تشکیل میدهد‪ .‬همچنین بار مثبت زیاد بر روی اتم‬
‫هیدروژن ‪ ،‬زوج الکترون مولکول دیگر را به شدت جذب میکند و کوچک بودن‬
‫اندازه اتم هیدروژن سبب میشود که ملکول دوم بتواند به آن نزدیک شود‪.‬‬
‫کوچک بودن اتمهای متصل به هیدروژن ‪:‬‬
‫پیوند هیدروژنی واقعا مؤثر فقط در ترکیبات فلوئور ‪ ،‬اکسیژن و نیتروژن تشکیل‬
‫میشود‪ .‬با وجود اینکه دو اتم نیتروژن و کلر الکترونگاتیوی برابر دارند چون‬
‫اتم کلر از اتم نیتروژن بزرگتر است بر خالف نیتروژن ‪ ،‬کلر پیوند هیدروژنی‬
‫ضعیفی تشکیل میدهد‪.‬‬
‫►‬
‫جاذبه بین مولکولی و پیوند هیدروژنی‬
‫ترکیبات هیدروژندار بطور غیر عادی قوی است‪ .‬جاذبه بین مولکولی در برخی از‬
‫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
‫‪ +δ‬اعمال میکند که در نتیجه آن ‪ ،‬هیدروژن دارای بار مثبت قابل مالحظه‬
‫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 ‪ ،‬متقابال همدیگر را جذب میکنند و پیوندی‬
‫مرسوم است‪ .‬هر اتم هیدروژن قادر است پیوند هیدروژنی تشکیل میشود که به‬
‫‪.‬تنها یک پیوند هیدروژنی تشکیل دهد‬
‫نقطه جوش و پیوند هیدروژنی‬
‫ترکیباتی که پیوند هیدروژنی دارند‪ ،‬خواص غیر عادی از خود نشان میدهند‪.‬‬
‫‪ SnH4 , GeH4 , SiH4 , CH4‬تغییرات نقاط جوش در مجموعه ترکیبات‬
‫مطابق روال پیش بینی شده برای ترکیبات است نیروهای بین مولکولی آنها‬
‫منحصر به نبروهای الندن 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 الندن در چسباندن مولکولها به یکدیگر کمک میکند‪ .‬ولی نقطه جوش‬
‫بطور غیر عادی باالتر از )‪ (NH3,H2O , HF‬نخستین عنصر هر مجموعه‬
‫جوش سایر اعضای آن مجموعه است‪ .‬پیوند هیدروژنی در هر یک از این نقاط‬
‫‪.‬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،‬‬
‫عالوه بر دارا بودن نقاط جوش باال ‪ ،‬بطور غیرعادی در دمای باال ذوب‬
‫‪.‬میشوند و آنتالپی تبخیر ‪ ،‬آنتالپی ذوب و گرانروی آنها زیاد است‬
‫شروط تشکیل پیوند هیدروژنی قوی‬
‫مولکولی که پروتون را برای تشکیل پیوند هیدروژنی در اختیار میگذارد (مولکول‬
‫اتم هیدروژن نسبتا زیاد ‪δ‬پروتون دهنده) باید چنان قطبیتی داشته باشد که بار ‪+‬‬
‫‪N-H.....N<O_H_O‬باشد‪ .‬افزایش قدرت پیوند هیدروژنی به ترتیب‬
‫اتم مولکول پروتون گیرنده که زوج الکترون الزم 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
‫پیداست‪ .‬الکترونگاتیوی کلر تقریبا با نیتروژن برابر است‪ .‬ولی ‪HCl‬جوش‬
‫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
‫در حدود ‪ 2.3‬قدرت پیوند ‪ O−H…O‬است‪ .‬اگر چه قدرت پیوند‬
‫است‪ ،‬ولی تاثیر فوق مشاهده میشود‪ .‬بطور متوسط ‪ ،‬تعداد ‪F_H…F‬‬
‫دو برابر آن در ‪ H2O‬پیوندهای هیدروژنی به ازای هر مولکول در‬
‫است‪ .‬اتم اکسیژن در هر مولکول آب ‪ ،‬با دو اتم هیدروژن پیوند ‪HF‬‬
‫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 بلور 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
‫در حالت مایع توسط پیوندهای هیدروژنی به هم ‪ H2O‬مولکولهای‬
‫پیوستهاند ولی میزان این پیوستگی و استحکام آن در حالت مایع کمتر‬
‫از جامد (یخ) است‬
‫پیوند هیدروژنی و انحالل پذیری ترکیبات مختلف‬
‫با توجه به پیوند هیدروژنی میتوان انحالل پذیری غیر منتظره برخی ترکیبات حاوی‬
‫اکسیژن ‪ ،‬نیتروژن و فلوئور را در برخی حاللهای هیدروژندار بویژه آب ‪ ،‬توجیه‬
‫با تشکیل پیوندهای هیدروژنی )‪ (CH3OH‬و متانول )‪ (NH3‬کرد‪ .‬مثال آمونیاک‬
‫در آب حل میشوند‪ .‬عالوه بر این ‪ ،‬برخی آنیونهای اکسیژندار (مانند یون‬
‫‪ ،‬با تشکیل پیوند هیدروژنی در آب حل میشوند )‪+SO‬سولفات ‪42 ،‬‬
‫نقش پیوند هیدروژنی در سیستمهای زنده‬
‫پیوند هیدروژنی در تعیین ساختار و خواص مولکولهای سیستمهای زنده نقش اساسی‬
‫ساختمان دارد‪ .‬اجزای مارپیچ آلفا در ساختار پروتئینها و اجزای مارپیچ دوگانه در‬
‫توسط پیوند هیدروژنی به هم میپیوندند تشکیل و گسسته شدن پیوندهای ‪DNA‬‬
‫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 الیه به هم پیوسته و تور مانند در سطح آب است که وزن پاهای نازک‬
‫‪.‬حشرات را میتواند تحمل کند‬
‫توجیه خواص غیرعادی برخی از مواد‬
‫وجود خواص غیرعادی برخی از مواد در حالت جامد یا مایع از جمله باال بودن دماهای ذوب و‬
‫جوش ‪ ،‬نشان میدهد که نیروهای جاذبه بین مولکولی در آنها به اندازهای زیاد است که نمیتوان آن‬
‫را به تأثیرهای 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
‫به طور غیرمنتظرهای باالتر است‪ .‬شاید ‪ PH3H3SHCl‬و ذوب ترکیبهای مشابه خود ‪،‬برای مثال‬
‫تصور شود که علت این وضعیت غیر عادی ‪ ،‬قطبیت به نسبت زیاد این مولکولها ست‪ .‬البته تا‬
‫اندازهای همین طور است‪ .‬اما بررسی دقیق این پدیده غیر عادی نشان میدهد که باید نیروی جاذبه‬
‫قویتر از نیروهای جاذبه دوقطبی _ دوقطبی بین مولکولهای آنها برقرار باشد‪.‬‬
‫►‬
‫توجه شود‪ ،‬میتوان به موردهای مشترک بین ‪NH2H2OHF‬اگر به ساختار الکترونی مولکولهای‬
‫آنها پی برد‪ .‬این وجه اشتراک ‪ ،‬وجود دست کم یک پیوند کواالنسی با اتم هیدروژن و یک اوربیتال‬
‫هیبریدی ناپیوندی دو الکترونی اتم مرکزی بسیار الکترونگاتیو در هر یک از آنهاست‪ ،‬اتمهای‬
‫الکترونگاتیوی باالیی دارند با هیدروژن پیوند کواالنسی به شدت قطبی به وجود میآورند‪NOF .‬‬
‫بطوری که هیدروژن به میزان قابل توجهی خصلت یک پروتون را پیدا میکند‪ .‬جفت الکترون‬
‫‪ ،‬این امکان را پدید میآورد که اتم ‪ H‬ناپیوندی و قابل واگذاری روی اتم الکترونگاتیوی وجود‬
‫هیدروژن در نقش پل ‪ ،‬اتمهای الکترونگاتیو دو مولکول را به یکدیگر متصل کند و نیروی جاذبه‬
‫‪.‬بین مولکولی بوجود میآید که به پیوند هیدروژنی مرسوم است‬
‫چرا یخ شناور است؟‬
‫یخ روی آب شناور میماند زیرا به هنگام انجماد ‪ ،‬منبسط میشود‪ .‬سبب این انبساط‬
‫پیوند هیدروژنی میان مولکولهای خمیده آب است ساختار خمیده یا زاویهای‬
‫مولکول آب ناشی از آرایش چهار وجهی چهار جفت الکترون در الیه ظرفیت یک‬
‫اتم است‪ .‬ساختار زاویهای مولکول آب و پیوند هیدروژنی میان مولکولهای آب به‬
‫آن معنی است که هر مولکول آب میتواند حداکثر با چهار مولکول آب دیگر پیوند‬
‫هیدروژنی داشته باشد‪ .‬پس آب مایع را میتوان به صورت خوشههایی از‬
‫مولکولهای آب تصورکرد‪ ،‬خوشههایی که با پیوند هیدروژنی از مولکولهای آب‬
‫ساخته شدهاند و دائم در حال حرکتند‬
‫چرا نقطه جوش آب باال است؟‬
‫خاصیت عجیب دیگر آب نقطه جوش نسبتا زیاد آن است‪ .‬تقریبا تمام ترکیبات‬
‫هیدروژندار مجاور اکسیژن و اعضای خانواده آن‬
‫در دمای اتاق به حالت گازی ‪CH4NH3H2SH2SeH2TePH3HCL‬یعنی‬
‫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 خوشههایی از مولکولها در میآید برای شکسته شدن‬
‫پیوندهای هیدروژنی آن الزم است‪ .‬اما همه پیوندهای هیدروژنی شکسته نمیشوند‬
‫و خوشههایی از مولکولهای آب حتی در نزدیکی ‪ 1000‬درجه سانتیگراد هنوز‬
‫►‬
‫‪.‬وجود دارند‬
‫وقتی آب گرم میشود آشفتگی گرمایی پیوند هیدروژنی را میگسلد تا آنکه در‬
‫بخار آب ‪ ،‬فقط جزء کوچکی از شمار پیوندهای هیدروژنی موجود در آب مایع یا‬
‫جامد باقی میماند‪ .‬اگر پیوند محکم میان مولکولی از قبیل پیوند هیدروژنی وجود‬
‫نداشته باشد‪ ،‬مواد معموال بنا به جرم مولکولی خود به جوش میآیند‪ .‬جرمهای‬
‫مولکولی بزرگتر برای جوش آمدن به دمای زیادتری نیازمندند عمدتا به این دلیل‬
‫که ابرهای الکترونی بزرگتر آسانتر و پیچیده میشوند و این امر منجر به نیروهای‬
‫‪.‬الندن بین مولکولی قویتر میشود‬
‫►‬
‫شمار مولکولها در هر خوشه و سرعت حرکت خوشهها به دما بستگی دارد‪ .‬با سرد‬
‫شدن آب ‪ ،‬مجموعههایی از مولکولهای آب که به سرعت در حرکتاند‪ ،‬کند‬
‫میشدند و در نقطه انجماد به یکدیگر قالب شده ساختمان سه بعدی منبسط شدهای‬
‫را بوجود میآورند‪ .‬این ساختمان گستردهتر موجب میشود که تراکم یخ کمتر از‬
‫آب باشد‪ .‬ذوب شدن یخ در حدود ‪ %15‬انرژی پیوندهای هیدروژنی را میشکند و‬
‫این امر سبب فرو ریختن ساختار میشود‪ .‬در نتیجه مایعی متراکم حاصل می‬
‫‪.‬گردد‬
‫کاربردهای پیوند‬
‫پیوندهای هیدروژنی در بسیاری از مواد یافت میشوند پدیدههایی از قبیل چسبناک‬
‫شدن آبنبات سفت ‪ ،‬دیرتر خشک شدن الیاف پنبهای از الیاف نایلونی ‪ ،‬نرم شدن‬
‫پوست با نایلونی ‪ ،‬ناهنجارهای ظاهری در ماهیت آب ‪ ،‬همگی ناشی از همین‬
‫پیوندهای هیدروژنی است‪ .‬پیوند هیدروژنی در تعیین ساختار و خواص مولکولهای‬
‫ها و سیستمهای زنده نقش اساسی دارد‪ .‬اجزای مارپیچ آلفا در ساختار پروتئین‬
‫توسط پیوند هیدروژنی به هم میپیوندند‪ DNA .‬اجزای مارپیچ دوگانه در ساختار‬
‫تشکیل و گسسته شدن پیوندهای هیدروژنی در تقسیم یافته و سنتز پروتئینها توسط‬
‫آن دارای اهمیت اساسی است‬