Se guardi la cronologia dello studio in scienze chimiche della capacità degli atomi di vari elementi di interagire tra loro, possiamo individuare la metà del 19° secolo. A quel tempo, gli scienziati hanno attirato l'attenzione sul fatto che i composti dell'idrogeno di ossigeno, fluoro e azoto sono caratterizzati da un gruppo di proprietà che possono essere definite anomale.
Si tratta, innanzitutto, di punti di fusione e di ebollizione molto elevati, ad esempio per l'acqua o per l'acido fluoridrico, che sono superiori a quelli di altri composti simili. Allo stato attuale, è già noto che queste caratteristiche di queste sostanze sono determinate dalla proprietà degli atomi di idrogeno di formare un insolito tipo di legame con gli atomi di elementi che hanno un alto indice di elettronegatività. Lo chiamavano idrogeno. Le proprietà di un legame, le specificità della sua formazione e gli esempi di composti che lo contengono sono i punti principali su cui ci concentreremo nel nostro articolo.
Motivo della connessione
L'azione delle forze di attrazione elettrostatica èla base fisica per la comparsa della maggior parte dei tipi di legami chimici. I tipi di legami chimici che sono sorti a causa dell'interazione di nuclei atomici di carica opposta di un elemento ed elettroni di un altro sono ben noti. Questi sono legami covalenti non polari e polari, caratteristici di composti semplici e complessi di elementi non metallici.
Ad esempio, tra l'atomo di fluoro, che ha la più alta elettronegatività, e la particella elettroneutra dell'idrogeno, la cui nuvola di un elettrone inizialmente apparteneva solo all'atomo H, c'è uno spostamento della densità di carica negativa. Ora lo stesso atomo di idrogeno può essere giustamente chiamato protone. Cosa succede dopo?
Interazione elettrostatica
La nuvola di elettroni dell'atomo di idrogeno passa quasi completamente verso la particella di fluoro e acquisisce una carica negativa in eccesso. Tra l'atomo di idrogeno nudo, cioè privo di densità negativa, un protone, e lo ione F- della vicina molecola di acido fluoridrico, si manifesta la forza di attrazione elettrostatica. Porta alla comparsa di legami idrogeno intermolecolari. A causa della sua presenza, diverse molecole HF possono formare associati stabili contemporaneamente.
La condizione principale per la formazione di un legame idrogeno è la presenza di un atomo di un elemento chimico con un'elevata elettronegatività e un protone idrogeno che interagisce con esso. Questo tipo di interazione è più pronunciata nei composti dell'ossigeno e del fluoro (acqua, acido fluoridrico), meno nelle sostanze contenenti azoto, come l'ammoniaca, e ancor meno nei composti dello zolfo e del cloro. Esempi di legami idrogeno formatisi tra le molecole si possono trovare anche nelle sostanze organiche.
Così, negli alcoli tra gli atomi di ossigeno e idrogeno dei gruppi ossidrilici funzionali, sorgono anche forze di attrazione elettrostatica. Pertanto, già i primi rappresentanti della serie omologa - metanolo e alcol etilico - sono liquidi, non gas, come altre sostanze di questa composizione e peso molecolare.
Energia caratteristica della comunicazione
Confrontiamo l'intensità energetica dei legami covalenti (40–100 kcal/mol) e idrogeno. Gli esempi seguenti confermano la seguente affermazione: il tipo a idrogeno contiene solo da 2 kcal/mol (tra i dimeri di ammoniaca) a 10 kcal/mol di energia nei composti del fluoro. Ma risulta sufficiente perché le particelle di alcune sostanze possano legarsi in associati: dimeri, tetra - e polimeri - gruppi costituiti da molte molecole.
Non solo sono nella fase liquida del composto, ma possono essere conservate senza disintegrarsi, passando allo stato gassoso. Pertanto, i legami idrogeno, che tengono le molecole in gruppi, causano punti di ebollizione e di fusione anormalmente elevati di ammoniaca, acqua o acido fluoridrico.
Come si associano le molecole d'acqua
Sia le sostanze organiche che quelle inorganiche hanno diversi tipi di legami chimici. Il legame chimico che nasce nel processo di associazione delle particelle polari tra loro, ed è chiamato idrogeno intermolecolare, può cambiare radicalmente le caratteristiche fisico-chimichecaratteristiche di connessione. Proviamo questa affermazione considerando le proprietà dell'acqua. Le molecole H2O hanno la forma di dipoli, particelle i cui poli portano cariche opposte.
Le molecole vicine sono attratte l'una dall' altra dai protoni di idrogeno caricati positivamente e dalle cariche negative dell'atomo di ossigeno. Come risultato di questo processo, si formano complessi molecolari - associati, che portano alla comparsa di punti di ebollizione e di fusione anormalmente elevati, elevata capacità termica e conduttività termica del composto.
Le proprietà uniche dell'acqua
La presenza di legami idrogeno tra le particelle H2O è responsabile di molte delle sue proprietà vitali. L'acqua fornisce le reazioni metaboliche più importanti - l'idrolisi di carboidrati, proteine e grassi che si verificano nella cellula - ed è un solvente. Tale acqua, che fa parte del citoplasma o del fluido intercellulare, è chiamata libera. Grazie ai legami idrogeno tra le molecole, forma gusci di idratazione attorno a proteine e glicoproteine, che impediscono l'adesione tra le macromolecole polimeriche.
In questo caso l'acqua si chiama strutturata. Gli esempi che abbiamo fornito del legame idrogeno che si verifica tra le particelle di H2O dimostrano il suo ruolo di primo piano nella formazione delle proprietà fisiche e chimiche di base delle sostanze organiche - proteine e polisaccaridi, nei processi di assimilazione e dissimilazione che avvengono nei sistemi degli organismi viventi, nonché nel garantire il loro equilibrio termico.
Legame idrogeno intramolecolare
L'acido salicilico è uno dei farmaci ben noti e utilizzati da tempo con effetti antinfiammatori, cicatrizzanti e antimicrobici. L'acido stesso, i bromoderivati del fenolo, i composti organici complessi sono in grado di formare un legame idrogeno intramolecolare. Gli esempi seguenti mostrano il meccanismo della sua formazione. Quindi, nella configurazione spaziale della molecola di acido salicilico, è possibile l'avvicinamento dell'atomo di ossigeno del gruppo carbonile e del protone idrogeno del radicale idrossile.
A causa della maggiore elettronegatività dell'atomo di ossigeno, l'elettrone della particella di idrogeno cade quasi completamente sotto l'influenza del nucleo di ossigeno. All'interno della molecola di acido salicilico si verifica un legame idrogeno, che aumenta l'acidità della soluzione a causa dell'aumento della concentrazione di ioni idrogeno in essa.
Riassumendo, possiamo dire che questo tipo di interazione tra atomi si manifesta se il gruppo del donatore (particella che dona un elettrone) e l'atomo accettore che lo accetta fanno parte della stessa molecola.
