الروابط الهيدروجينية.. ما هي؟
الروابط الهيدروجينية (Hydrogen Bonds)، هي إحدى أنواع الروابط الكيميائية الضعيفة نسبيًّا، أضعف من الروابط التساهمية والأيونية، ولكن تميل إلى أن تكون أقوى من قوى فاندرفالس، وتشكل نوعًا خاصًا من تجاذب القوى ثنائية القطب، وذلك عندما توجد ذرة هيدروجين مرتبطةً بذرةٍ ذات كهرسلبيةٍ قوية، بالقرب من ذرةٍ كهرسلبية أخرى مع زوجٍ واحدٍ من الإلكترونات.
ما هي الروابط الهيدروجينية؟
الرابطة الهيدروجينية أو الترابط الهيدروجيني هو ترابط يحدث بين الجزيئات التي تحتوي على رابطة تساهمية قطبية يشترط فيها تواجد إحدى الذرات ذات الكهروسالبية العالية مثل فلور أو أوكسجين أو نيتروجين على أن يكون مرتبطاً بالهيدروجين ونظراً لصغر حجم ذرة الهيدروجين فإن المزدوج الإلكتروني سوف ينجذب مع بروتون ذرة الهيدروجين الموجب مكوناً هذا النوع من الترابط
يرمز عادة إلى الترابط الهيدروجيني بالرابطة الهيدروجينية نتيجة لقوة هذا الترابط حيث ان قوة الترابط تبلغ بين 1 إلى 40 كيلوجول / مول حسب نوع الجزيئات المترابطة لكنه قياساً بالروابط الكيميائية الأخرى فهذا الترابط هو أضعفها
آثار الروابط الهيدروجينية على العناصر
للروابط الهيدروجينية تأثير على العناصر يتمثل في
التجميع
توجد جزيئات الأحماض الكربوكسيلية على شكل ثنائى بسبب الرابطة الهيدروجينية حيث تم العثور على الكتل الجزيئية لهذه المركبات لتكون ضعف تلك المحسوبة من صيغتها البسيطة.
التفكك
في محلول مائي يتفكك HF ويعطي أيون ثنائي فلوريد بدلاً من أيون الفلوريد وهذا بسبب الترابط الهيدروجيني في HF ولا تشكل جزيئات HCl و HBr و HI رابطة هيدروجينية هذا ما يفسر عدم وجود مركبات مثل KHCl2 و KHBr2 و KHI2
خصائص الروابط الهيدروجينية
للروابط الهيدروجينية خصائص متعددة من أبرزها
1- الذوبان: الكحوليات قابلة للذوبان في الماء بسبب الرابطة الهيدروجينية التي يمكن أن تحدث بين الماء وجزيء الكحول.
2- التقلبات: إن حقيقة أن المركبات التي تشتمل على روابط هيدروجينية بين جزيئات مختلفة لها نقطة غليان أعلى تجعلها أقل تطايراً.
3- اللزوجة والتوتر السطحي: المواد التي تحتوي على الرابطة الهيدروجينية موجودة كجزيء مرتبط ولذلك يصبح تدفقهم صعباً نوعاً ما كما أن لديهم لزوجة أعلى وتوتراً سطحياً مرتفعاً
4- كثافة الجليد الأقل من الماء: في حالة الجليد الصلب تؤدي الرابطة الهيدروجينية إلى تكوين هيكل يشبه القفص من جزيئات الماء في الواقع يرتبط كل جزيء ماء رباعي السطوح بأربعة جزيئات ماء الجزيئات ليست معبأة بشكل وثيق كما هي في الحالة السائلة وعندما يذوب الجليد تنهار هذه الحالة مثل الهيكل وتقترب الجزيئات من بعضها البعض وبالتالي بالنسبة لنفس كتلة الماء ينخفض الحجم وتزداد الكثافة وهذا يفسر طفو الجليد على سطح الماء
كيفية تشكّل الروابط الهيدروجينية
حتى تتشكل الرابطة الهيدروجينية، يجب أن يكون لدينا عنصر مانح وعنصر مستقبل. العنصر المانح في هذه الرابطة هو الذرة التي ترتبط بها ذرة الهيدروجين (والتي هي العنصر المستقبل)، والمشاركة فيها تساهميًا، وغالبًا ما تكون ذرة ذات كهرسلبيةٍ قويةٍ مثل الأوكسجين (O) أو النيتروجين (N) أو الفلور (F)، ويجب أن تمتلك زوجًا وحيدًا من الإلكترونات.
بما أن المانح للهيدروجين هو ذرةٌ ذات كهرسلبيةٍ قوية، فإنها تسحب زوج الإلكترون المرتبط تساهميًا بحيث يصبح أقرب إلى نواتها، وبعيدًا عن ذرة الهيدروجين. ثم تُترك ذرة الهيدروجين بشحنةٍ موجبةٍ جزئية δ+، مما يخلق تجاذب ثنائي القطب بين ذرة الهيدروجين المرتبطة بالعنصر المانح، وزوج الإلكترون الوحيد للهيدروجين.
ما هي شروط تشكّل الرابطة الهيدروجينية
كنتيجةٍ لهذا النوع من الروابط، نجد أن ذرة الهيدروجين تربط ذرتين شديدتي الكهرسلبية في وقتٍ واحدٍ، إحداها برابطةٍ هيدروجينيةٍ والأخرى برابطةٍ تساهميةٍ، وشرطا التشكّل هما:
- يجب أن يحتوي الجزيء على ذرةٍ ذات كهرسلبيةٍ عاليةٍ مرتبطة بذرة الهيدروجين، كلما زادت الكهرسلبية، كلما زاد استقطاب الجزيء.
- يجب أن يكون حجم الذرة ذات الكهرسلبية صغيرًا، كلما كان الحجم أصغر، زاد الجذب الكهربائي بشكلٍ أكبر.
أمثلة على الروابط الهيدروجينية
- فلوريد الهيدروجين (HF): يشكل الفلور الأعلى قيمة من حيث الكهرسلبية، أقوى رابطةً هيدروجينية.
- الماء (H2O): يحتوي جزيء الماء على ذرة أكسجين عالية الكهرسلبية مرتبطةً بذرة الهيدروجين، تجذب ذرة الأكسجين زوج الإلكترونات المشترك أكثر، وتصبح هذه النهاية للجزيء سلبيةً، في حين تصبح ذرات الهيدروجين موجبةً.
- الأمونيا (NH3): تحتوي الأمونيا على ذرة نيتروجين عالية الكهرسلبية مرتبطةً بذرات الهيدروجين.
أنواع الروابط الهيدروجينية
يمكن أن تتشكل الروابط الهيدروجينية داخل جزيءٍ واحد، بين جزيئين متشابهين، أو بين جزيئين مختلفين.
- الروابط داخل الجزيئات (Intramolecular Hydrogen Bonds): تتشكل بين ذرتين مشحونتين جزئيًّا في ذات الجزيء، يحدث هذا عندما تتواجد مجموعتان وظيفيتان في نفس الجزيء، ويمكنهما جذب بعضهما البعض لتشكيل رابطة هيدروجينية، أي يجب أن تكون كلٌ من الذرة المانحة والمستقبلة داخل جزيءٍ واحد، وعلى مقربةٍ من بعضهما البعض.
- الروابط بين الجزيئات (Intermolecular Hydrogen Bonds): تتشكل بين الجزيئات المنفصلة في المادة (بين أي عددٍ من الجزيئات المتشابهة أو غير المتشابهة)، فمثلًا يمكن أن تتشكل هذه الروابط بين جزيئات NH3 وحدها، أو بين جزيئات H2O وحدها، أو بين جزيئات NH3 و H2O.
تظهر المركبات ذات الروابط الهيدروجينية نقاط انصهارٍ وغليانٍ مرتفعة، وذلك يعود للحاجة إلى طاقةٍ إضافيةٍ لكسر هذه الروابط.. تعد الروابط الهيدروجينية السبب الرئيسي الذي يجعل للماء خصائص كيميائية هامة واستثنائية:
- تقلل الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء، من التغيرات الشديدة في درجة الحرارة بالقرب من المسطحات المائية الكبيرة.
- تحافظ على الماء في حالته السائلة في نطاق درجات الحرارة العالية، لدى مقارنته مع أي جزيءٍ آخر مماثلٍ في الحجم.
- تؤدي الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء إلى رفع درجة حرارة تبخره بشدةٍ، وبالتالي هناك حاجةٌ إلى طاقة حرارية كبيرة لتغيير الماء من حالته السائلة إلى بخار الماء.
أين نجد هذا النوع من الروابط
- الروابط الهيدروجينية في البروتينات والسكريات:
تلعب الروابط الهيدروجينية أيضًا دورًا رئيسًا في تكوين البنية الثانوية والثالثية للبروتينات. يشكل الأوكسجين من مجموعة الكربوكسيل للحمض الأميني الأول، مع الهيدروجين من مجموعة الأميد للحمض الأميني الثاني، الرابطة الهيدروجينية وتمنح تراكيب هيكليةً مستقرةً ومحددةً للبروتينات.
العديد من الكربوهيدرات مثل السكريات الأحادية والثنائية، قابلة للذوبان في الماء، بسبب تكوين روابطَ هيدروجينيةٍ بين الجزيئات السكرية والماء، مثل الجلوكوز والفركتوز، والسكروز والمالتوز، واللاكتوز .... جميعها قابلة للذوبان في الماء إلى حدٍّ ما، كما تُظهر بعض السكريات المتعددة انجذابًا قويًّا للماء، وتشكل بذلك غرويات محبة لوسط الانتثار (الماء) كالنشاء.
- الروابط الهيدروجينية في الحمض النووي DNA:
تلعب هذه الروابط دورًا بين الأزواج القاعدية في الحمض النووي، والتي تشكل في النهاية البنية الحلزونية اللولبية) المزدوجة للحمض النووي. لوحظ أن الأدينين (Adenine) دائمًا ما يرتبط مع الثايمين (Thymine)، ويرتبط الغوانين (Guanine) دائمًا مع السيتوزين (Cytosine)، وبالتالي فإن عدد جزيئات الأدينين يساوي دائمًا عدد جزيئات الثايمين، وعدد جزيئات السيتوزين متساوٍ مع عدد جزيئات الغوانين حيث يشكل الأدينين رابطتين هيدروجينيتين مع الثايمين، بينما تشكل الغوانين ثلاث روابطَ هيدروجينيةٍ مع السيتوزين..
