Водневий зв’язок виникає між молекулами, у складі яких є атом водню, зв’язаний із дуже електронегативним атомом — найчастіше киснем, азотом або фтором.
Ми вже розглянули ковалентний, іонний та металічний зв’язки — сили, які безпосередньо утримують атоми разом. Але у природі існує ще один дуже важливий тип взаємодії — водневий зв’язок. Він значно слабший за інші хімічні зв’язки, але саме завдяки йому вода має свої дивні властивості, молекула ДНК зберігає форму, а білки можуть нормально працювати всередині наших клітин.
Як виникає водневий зв’язок
Щоб зрозуміти, як він виникає, згадаємо полярний ковалентний зв’язок. У молекулі води кисень набагато сильніше притягує спільні електрони, ніж водень. Через це електрони більшу частину часу перебувають ближче до кисню. Кисень стає трохи негативним, а атоми водню — трохи позитивними.
Тобто молекула води стає полярною. В одній її частині накопичується невеликий негативний заряд, а в іншій — невеликий позитивний.
Позитивно заряджений водень однієї молекули починає притягуватись до негативної частини іншої молекули. Так між молекулами виникає додаткове притягання — водневий зв’язок.
Сам по собі один водневий зв’язок досить слабкий — значно слабший за ковалентний або іонний. Але коли таких зв’язків виникає одночасно сотні мільярдів, вони починають дуже сильно впливати на властивості речовини.
Звичайна вода H₂O
Найкращий приклад — звичайна вода H₂O.
Без водневих зв’язків вода за кімнатної температури могла б бути газом, як сірководень H₂S або метан CH₄. Але через величезну кількість водневих зв’язків молекули води дуже сильно “чіпляються” одна за одну. Саме тому вода залишається рідиною.
Щоб перетворити воду на пару, потрібно розірвати величезну кількість цих слабких водневих зв’язків. Саме тому вода має досить високу температуру кипіння — приблизно 100°C при нормальному атмосферному тиску.
Водневі зв’язки також пояснюють, чому краплі води тримають форму. Молекули намагаються “триматися” разом, створюючи поверхневий натяг.
Саме через це деякі комахи можуть буквально бігати по поверхні води, не провалюючись.
Чому лід плаває
Ще цікавіше поводиться вода під час замерзання.
Коли температура падає, молекули води починають шикуватися у впорядковану кристалічну структуру. Водневі зв’язки ніби “фіксують” молекули на певній відстані одна від одної.
Через це утворюється більш пухка структура льоду. Між молекулами з’являється більше порожнього простору, тому густина льоду стає меншою за густину рідкої води.
Саме тому лід плаває на поверхні.
Це одна з найважливіших “дивностей” води для життя на Землі. Якби лід був важчим за воду, він тонув би, водойми промерзали б до самого дна, а більшість водних організмів просто не пережила б зиму.
Водневий зв’язок у нашому житті
Водневі зв’язки надзвичайно важливі й для живих організмів.
Наприклад, саме вони допомагають утримувати дві нитки ДНК разом.
Між азотистими основами виникають водневі зв’язки. Саме ці слабкі зв’язки дозволяють молекулі ДНК бути одночасно стабільною й достатньо “гнучкою”, щоб клітина могла копіювати генетичну інформацію.
Водневі зв’язки також беруть участь у формуванні форми білків.
Коли довгий ланцюг амінокислот “складається” у складну тривимірну структуру, між різними його частинами виникають численні водневі зв’язки. Вони допомагають білку утримувати правильну форму.
А від форми білка залежить буквально все:
• чи працюватиме фермент,
• чи зможе гемоглобін переносити кисень,
• чи правильно працюватимуть клітини організму.
Наприклад, при сильному нагріванні водневі зв’язки в білках починають руйнуватись. Саме тому білок курячого яйця при варінні стає твердим бо його молекули змінюють форму.
Водневий зв’язок — чудовий приклад того, як навіть відносно слабкі сили можуть змінити цілий світ.
Без цієї маленької взаємодії не існувало б ані рідкої води, ані льоду, що плаває, ані ДНК, ані білків, а отже — і життя у тому вигляді, у якому ми його знаємо. ⚛️💧