وقتي اتم هيدروژن به دو يا چند اتم ديگر پيوند شده باشد، يک پيوند هيدروژني وجود دارد. اين تعريف اشاره بر اين دارد که پيوند هيدروژني نمي‌تواند يک پيوند کووالانسي عادي باشد، زيرا اتم هيدروژن تنها يک اوربيتال (1S) در سطح انرژي به قدر کافي پايين دارد که درگير تشکيل پيوند کووالانسي شود
جاذبه ي بين مولکولي و پي.وند هيدروژني :
جاذبه بين مولکولي در برخي از ترکيبات هيدروژن‌دار بطور غير عادي قوي است. اين جاذبه در ترکيباتي مشاهده مي‌شود که در آنها بين هيدروژن و عناصري که اندازه کوچک و الکترونگاتيوي زياد دارند، پيوند هيدروژني وجود دارد. در اين ترکيبات ، اتم عنصر الکترونگاتيو چنان جاذبه شديدي بر الکترونهاي پيوندي اعمال مي‌کند که در نتيجه آن ، هيدروژن داراي بار مثبت قابل ملاحظه +δ مي‌گردد. هيدروژن در اين حالت ، تقريبا به صورت يک پروتون بي‌حفاظ است، زيرا اين عنصر فاقد الکترون پوششي است. اتم هيدروژن يک مولکول و زوج الکترون غير مشترک مولکول ديگر ، متقابلا همديگر را جذب مي‌کنند و پيوندي تشکيل مي‌شود که به پيوند هيدروژني مرسوم است. هر اتم هيدروژن قادر است تنها يک پيوند هيدروژني تشکيل دهد.
نقطه جوش و پيوند هيدروژني :
ترکيباتي که پيوند هيدروژني دارند، خواص غير عادي از خود نشان مي‌دهند. تغييرات نقاط جوش در مجموعه ترکيبات SnH4 , GeH4 , SiH4 , CH4 مطابق روال پيش بيني شده براي ترکيبات است نيروهاي بين مولکولي آنها منحصر به نبروهاي لاندن است. نقطه جوش در اين مجموعه با افزايش اندازه مولکولي ، زياد مي‌شود. ترکيبات هيدروژني عناصر گروه چهار اصلي ، مولکولهاي ناقطبي هستند. اتم مرکزي هر مولکول فاقد زوج الکترون غير مشترک است. در گروههاي پنج ، شش و هفت اصلي نيروهاي دو قطبي - دوقطبي به نيروهاي لاندن در چسباندن مولکولها به يکديگر کمک مي‌کند. ولي نقطه جوش نخستين عنصر هر مجموعه (NH3,H2O , HF) بطور غير عادي بالاتر از نقاط جوش ساير اعضاي آن مجموعه است. پيوند هيدروژني در هر يک از اين سه ترکيب ، جدا شدن مولکولها را از مايع مشکلتر مي‌کند.
ساير خواص غير عادي مربوط به پيوند هيدروژني :
ترکيباتي که مولکولهاي آنها از طريق پيوند هيدروژني به همديگر پيوسته‌اند، علاوه بر دارا بودن نقاط جوش بالا ، بطور غيرعادي در دماي بالا ذوب مي‌شوند و آنتالپي تبخير ، آنتالپي ذوب و گرانروي آنها زياد است.
شروط تشکيل پيوند هيدروژني قوي:
· مولکولي که پروتون را براي تشکيل پيوند هيدروژني در اختيار مي‌گذارد (مولکول پروتون دهنده) بايد چنان قطبيتي داشته باشد که بار +δ اتم هيدروژن نسبتا زياد باشد. افزايش قدرت پيوند هيدروژني به ترتيب N-H.....N<O_H_O
· اتم مولکول پروتون گيرنده که زوج الکترون لازم براي تشکيل پيوند هيدروژني را در اختيار مي‌گذارد، بايد نسبتا کوچک باشد. پيوند هيدروژني واقعا موثر يا قوي فقط در ترکيبات فلوئور ، اکسيژن و نيتروژن تشکيل مي‌شوند. ترکيبات کلر پيوند هيدروژني ضعيف تشکيل مي‌دهند و اين خصلت ، با توجه به تغيير جزئي نقطه جوش HCl پيداست. الکترونگاتيوي کلر تقريبا با نيتروژن برابر است. ولي چون اتم کلر بزرگتر از اتم نيتروژن است، پراکندگي ابر الکتروني در اتم کلر بيش از اتم نيتروژن مي‌باشد
مقايسه پيوند هيدروژني در آب و هيدروژن فلوئوريد :
تاثير پيوند هيدروژني به نقطه جوش آب بيش از هيدروژن فلوئوريد است. اگر چه قدرت پيوند O−H…O در حدود 2.3 قدرت پيوند F_H…F است، ولي تاثير فوق مشاهده مي‌شود. بطور متوسط ، تعداد پيوندهاي هيدروژني به ازاي هر مولکول در H2O دو برابر آن در HF است. اتم اکسيژن در هر مولکول آب ، با دو اتم هيدروژن پيوند دارد و داراي دو زوج الکترون آزاد غير مشترک است. اتم فلوئور در مولکول هيدروژن فلوئوريد ، سه زوج الکترون آزاد دارد که مي‌توانند با اتمهاي هيدروژن پيوند تشکيل دهند ولي فقط داراي يک اتم هيدروژن است که مي‌تواند با ان پيوند هيدروژني تشکيل دهد.
پيوند هيدروژني و يخ :
پيوند هيدروژني در آب به مقدار خيلي زياد بر روي ساير خواص آن نيز تاثير مي‌گذارد. آرايش چهار وجهي اتمهاي هيدروژن و زوج الکترونهاي غير مشترک اکسيژن در آب ، سبب مي‌شوند که پيوندهاي هيدروژني بلور يخ داراي چنين آرايشي باشد و منبع به ساختار گشوده بلور يخ مي‌شوند. به همين علت چگالي يخ نسبتا کم است. در نقطه انجماد آب ، مولکولها به هم نزديکترند و به همين علت و بطور غير متعارف چگالي آب بيشتر از چگالي يخ است. بايد توجه داشت که مولکولهاي H2O در حالت مايع توسط پيوندهاي هيدروژني به هم پيوسته‌اند ولي ميزان اين پيوستگي و استحکام آن در حالت مايع کمتر از جامد (يخ) است.
پيوند هيد روژني و انحلال پذيري ترکيبات مختلف :
با توجه به پيوند هيدروژني مي‌توان انحلال پذيري غير منتظره برخي ترکيبات حاوي اکسيژن ، نيتروژن و فلوئور را در برخي حلالهاي هيدروژن‌دار بويژه آب ، توجيه کرد. مثلا آمونياک (3NH) و متانول (CH3 OH) با تشکيل پيوندهاي هيدروژني در آب حل مي‌شوند. علاوه بر اين ، برخي آنيونهاي اکسيژن‌دار (مانند يون سولفات ، 42+SO) ، با تشکيل پيوند هيدروژني در آب حل مي‌شوند.
نقش پيوند هيدروژني در سيستم هاي زنده :
پيوند هيدروژني در تعيين ساختار و خواص مولکولهاي سيستمهاي زنده نقش اساسي دارد. اجزاي مارپيچ آلفا در ساختار پروتئينها و اجزاي مارپيچ دوگانه در ساختمان DNA توسط پيوند هيدروژني به هم مي‌پيوندند تشکيل و گسسته شدن پيوندهاي هيدروژني در تقسيم ياخته و سنتز پروتئينهاي آن داراي اهميت اساسي است.
کشش سطحي :
حتما تاکنون ايستادن حشرات را در سطح آب رودخانه‌ها ديده‌ايد. علت اين امر و پيوند هيدروژني بين مولکولهاي آب سطح رودخانه و ايجاد کشش سطحي و در نتيجه يک لايه به هم پيوسته و تور مانند در سطح آب است که وزن پاهاي نازک حشرات را مي‌تواند تحمل کند.
نحوه تشکيل پيوند هيدروژني :
پيوند هيدروژني بر اثر جاذبه اتم هيدروژن جزئي مثبت موجود در يک مولکول و اتم بسيار الکترونگاتيو (F,O,N) موجود در مولکول ديگر توليد مي گردد. قويترين پيوندهاي هيدروژني در سيستم هايي تشکيل مي شوند که در آنها هيدروژن به الکترونگاتيوترين عناصر پيوند شده باشد. جا به جا شدن يک جفت الکترون به سمت عنصر بسيار الکترونگاتيو نيتروژن، اکسيژن يا فلوئوري موجب مي شود که اين اتمها داراي بار منفي جزئي شوند.
در اين صورت پيوند هيدروژني پلي است ميان دو اتم شديداً الکترونگاتيو با يک اتم هيدروژن که از طرفي به طور کووالانسي با يکي از اتمهاي الکترونگاتيو و از طرف ديگر به طور الکترواستاتيکي(جاذبه مثبت به منفي) با اتم الکترونگاتيو ديگر پيوند يافته است. استحکام پيوند هيدروژني يک دهم تا يک پنجاهم قدرت يک پيوند کووالانسي متوسط است.
شرايط تشکيل پيوند هيدروژني :
* بالا بودن الکترونگاتيوي اتمهاي متصل به هيدروژن: بر همين اساس است که فلوئور (الکترونگاتيوترين عنصر)، قويترين پيوند هيدروژني و اکسيژن (الکترونگاتيوتر از نيتروژن)، پيوند هيدروژني قويتري در مقايسه با نيتروژن تشکيل مي دهد. همچنين بار مثبت زياد بر روي اتم هيدروژن، زوج الکترون مولکول ديگر را به شدت جذب مي کند و کوچک بودن اندازه اتم هيدروژن سبب مي شود که مولکول دوم بتواند به آن نزديک شود.
* کوچک بودن اتمهاي متصل به هيدروژن: پيوند هيدروژني واقعاً موثر فقط در ترکيبات فلوئور، اکسيژن و نيتروژن تشکيل مي شود.
توجيه خواص غير عادي برخي از مواد
وجود خواص غير عادي برخي از مواد در حالت جامد يا مايع از جمله بالا بودن دماهاي ذوب و جوش، نشان مي دهد که نيروي جاذبه بين مولکولي در آنها به اندازه اي زياد است که نمي توان آن را به تاثيرهاي متقابل ضعيف بين مولکولي نسبت داد. آشناترين اين نوع مواد، فلوئوريد هيدروژن، آب و آمونياک است که بسياري از خواص آنها از جمله دماهاي جوش و ذوب آنها از دماهاي جوش و ذوب ترکيبهاي مشابه خود، براي مثال PH3-H2S-HCL به طور غير منتظره اي بالاتر است.
شايد تصور شود که علت اين وضعيت غير عادي، قطبيت به نسبت زياد اين مولکولهاست. البته تا اندازه اي همين طور است. اما بررسي دقيق اين پديده غير عادي نشان مي دهد که بايد نيروي جاذبه قويتر از نيروهاي جاذبه دو قطبي- دو قطبي بين مولکولهاي آنها برقرار باشد.
اگر به ساختار الکتروني مولکولهاي NH3-H2O-HF توجه شود، مي توان به موردهاي مشترک بين آنها پي برد. اين وجه اشتراک، وجود دست کم يک پيوند کووالانسي با اتم هيدروژن و يک اوربيتال هيبريدي ناپيوندي دو الکتروني اتم مرکزي بسيار الکترونگاتيو در هر يک از آنهاست.
اتمهاي (F,O,N) الکترونگاتيوي بالايي دارند. جفت الکترون ناپيوندي و قابل واگذاري روي اتم الکترونگاتيو H، اين امکان را پديد مي آورد که اتم هيدروژن در نقش پل، اتم هاي الکترونگاتيو دو مولکول را به يکديگر متصل کند و نيروي جاذبه بين مولکولي به وجود مي آيد که به پيوند هيدروژني مرسوم است.
خواص ترکيبات داراي پيوند هيدروژني
ترکيباتي که مولکولهاي آنها از طريق پيوند هيدروژني به همديگر پيوسته اند، علاوه بر دارا بودن نقاط جوش بالا، به طور غير عادي در دماي بالا ذوب مي شوند و آنتالپي ذوب و گرانروي آنها زياد است.
علت شناور بودن يخ:
يخ روي آب شناور مي ماند زيرا به هنگام انجماد منبسط مي شود سبب اين انبساط پيوند هيدروژني ميان مولکول هاي خميده آب است. ساختار خميده مولکول آب ناشي از آرايش چهار وجهي چهار جفت الکترون در لايه ظرفيت يک اتم است. ساختار زاويه اي مولکول آب و پيوند هيدروژني ميان مولکولهاي آب به آن معني است که هر مولکول آب مي تواند حداکثر با چهار مولکول آب ديگر پيوند هيدروژني داشته باشد.
پس آب مايع را مي توان به صورت خوشه هايي از مولکولهاي آب تصور کرد،خوشه هايي که با پيوند هيدروژني از مولکولهاي آب ساخته شده اند و دائم در حال حرکتند. شمار مولکولها در هر خوشه و سرعت حرکت خوشه ها به دما بستگي دارد. با سرد شدن آب، مجموعه هايي از مولکولهاي آب که سرعت در حرکت اند، کند مي شوند و در نقطه انجماد به يکديگر قلاب شده ساختمان سه بعدي منبسط شده اي را به وجود مي آورند. اين ساختمان گسترده تر موجب مي شود که تراکم يخ کمتر از آب باشد.
ذوب شدن يخ در حدود 15% انرژي پيوندهاي هيدروژني را مي شکند و اين امر سبب فرو ريختن ساختار مي شود. در نتيجه مايعي متراکم حاصل مي گردد.
چرا نقطه جوش آب بالا است؟
خاصيت عجيب ديگر آب، نقطه جوش نسبتاً زياد آن است. تقريباً تمام ترکيبات هيدروژن دار مجاور اکسيژن و اعضاي خانواده آن يعني CH4-NH3-H2S-H2Se-H2Te-PH3-HCL در دماي اتاق به حالت گازي هستند. اما آب مايع است. براي آنکه يک مولکول به حالت بخار در آيد، بايد انرژي جذب کند تا بتواند خود را از قيد مولکولهاي ديگر آزاد کند. چون آب مايع با پيوند هيدروژني به صورت خوشه هايي از مولکول ها در مي آيد، براي شکسته شدن پيوندهاي هيدروژني آن، انرژي زياد لازم است.
اما همه پيوندهاي هيدروژني شکسته نمي شوند و خوشه هايي از مولکولهاي آب حتي در نزديکي 1000 درجه سانتيگراد هنوز وجود دارند. وقتي آب گرم مي شود، آشفتگي گرمايي پيوند هيدروژني را مي گسلد تا آنکه در بخار آب، فقط جزء کوچکي از شمار پيوندهاي هيدروژني موجود در آب مايع يا جامد باقي مي ماند. اگر پيوند محکم ميان مولکولي از قبيل پيوند هيدروژني وجود نداشته باشد، مواد معمولاً بنا به جرم مولکولي خود به جوش مي آيند.
جرم هاي مولکولي بزرگتر براي جوش آمدن به دماي زيادتري نيازمندند. عمدتاً به اين دليل که ابرهاي الکتروني بزرگتر آسانتر واپيچيده مي شوند و اين امر، منجر به نيروهاي لاندن بين مولکولي قويتر مي شود.
