أحدث الموضوعات

الروابط الهيدروجينية Hydrogen Bonds



تعریف الرابطة الهيدروجينية Hydrogen Bond

تنشأ الرابطة الھیدروجینیة بین الجزیئات ثنائیة القطب بشكل خاص عندما ترتبط ذرة الھیدروجین تساھمیاً مع عنصر صغیر جداً ذي سالبیة كھربیة عالیة مثل :الفلور، الأكسجین، النیتروجین . ففي ھذه الحالات التي تنتج جزیئات عالیة القطبیة للغایة ، حیث تحمل ذرة الھیدروجین الصغیرة كمیة لا بأس بھا من الشحنة الموجبة. وبما أن النھایة الموجبة لثنائي القطب بإمكانھا الاقتراب عن كثب من النھایة السالبة لثنائي قطب مجاورة ، فقوة التجاذب بین النھایتین كبیرة إلى حد ما. ویدعى ھذا النوع الخاص من التجاذب ثنائي القطب بالرابطة الھیدروجینیة (Hydrogen Bond) وتعادل حوالي % 5 إلى % 10 من قوة الرابطة التساھمیة العادیة .

والرابطة الھیدروجینیة ھي إحدى أنواع القوى القطبیة (رابطة فیزیائیة) بل أكثر قوة منها ، ومما سبق فإنها تنشا نتيجة فرق كبير في السالبية الكهربية بين ذرة الهيدروجين ( ذي السالبية الكهربية 2.2) في جزئ (المرتبطة أصلاً بذرة أكسجين أو نتيروجين أو فلور) وذرة عنصر آخر مثيل لها سالبية كهربية عالية مثل: (N = 3, O = 3.5, F =4).

ویتم تكوین ھذه الرابطة من خلال زوج الإلكترون الحر الموجود علي الأكسجين أو الفلور أو النيتروجين التي تنتمي للجزئ الآخر المثيل. وبسبب أن الفرق في السالبیة كبیر فتتكون رابطة قویة . 

ولا یحدث الترابط الھیدروجیني إلا في وجود ذرات الهيدروجين فقط (علل) ، ذلك لأن للذرات الأخرى أغلفة الیكترونیة تحجب أنویتھا عن ذلك الترابط . لهذا نجد أن الرباط الهيدروجيني لا يحدث إلا مع المركبات التي تحتوي على الهيدروجين دون غيرها .

س : ما تأثیر الفرق في السالبیة الكھربیة بین الھیدروجین والذرات (F, N, O) ؟
ج : هذا الفرق كاف لإحداث استقطاب في الجزئ ( بمعنى نشوء نهايتين أحدهما موجبة والأخرى سالبة ).

س: كیف یحدث ھذا الاستقطاب؟
ج : يحدث استقطاب الجزئ نتيجة لانحياز الإلكترونات الرابطة بين الذرتين نحو الذرة الأعلى سالبية كهربية مما يجعل السحابة الإلكترونية حولها ذات كثافة أعلى منها حول ذرة الهيدروجين فيصبح الجزئ عبارة عن قطب يكون الهيدروجين نهايته الموجبة .


س: ماذا ینتج عن نشوء الجزیئات القطبیة السابقة ؟
ج: ینشأ قوى تجاذب بین ھذه الجزئيات القطبية من نوع قوي التجاذب بين جزئ ثنائي القطب وآخر ثنائي القطب، حیث تتجاذب الجزیئات عبر نھایاتھا القطبیة :


ونظراً لأن ذرة الھیدروجین ھي المشارك في جعل الجزيء قطبیاً، لذلك تسمى القوة الرابطة بين الجزئيات ثنائية القطب بأسم الرابطة الهيدروجينية (مثلث الرابطة الھیدروجینیة بالخط المنقط ).

إن وجود الرابطة الهيدروجينية بين الجزئيات يؤدي إلى زيادة تجاذبها مع بعضها البعض وبالتالي یزید من درجة غلیانھا ویقلل من ضغطھا البخاري.

وكلما زاد عدد الروابط الهيدروجينية بين الجزئيات فإن ذلك يؤدي إلى زيادة تجاذبھا مع بعضھا البعض وبالتالي یزید من درجة غلیانھا .

علل : درجة غلیان الماء(H2O (100 °C أعلى من النشادر (NH3 (-33 °C  ؟
ج: ذلك أن عدد الروابط الھیدروجینیة في الماء أعلى منھا في النشادر .

علل : درجة غلیان فلورید الھیدروجین (HF (17 °C أعلى من درجة غليان بروميد الهيدروجين (HBr ( – 70 °C؟

ج: السبب ھو وجود الرابطة الھیدروجینیة بین جزیئات فلورید الھیدروجین، بینما لا توجد ھذه الروابط الھیدروجینیة بین جزیئات برومید الھیدروجین (HBr).

علل : درجة غليان الماء (H2O (100°C أعلى من درجة غليان كبريتيد الهيدروجين (H2S (- 61 °C ؟
ج : لوجود روابط هيدروجينية بين جزئيات الماء (H2O)بينما لا توجد هذه الروابط الهيدروجينية بين جزئيات كبريتيد الهيدروجين (H2S).

علل: لا توجد روابط هيدروجينية بين جزئيات الإيثر الميثيلي (H3C-O- CH3) ؟
ج: وذلك لعدم وجود ذرة ھیدروجین مرتبطة بذرة ذات سالبیة كھربیة مرتفعة مثل .(F, N, O)

س: هل يمكن للرابطة الهيدروجينية أن تتكون إذا استبدلنا (N, O, F) بذرة كبريت (S) أو كلور(Cl) أو بروم (Br) ؟ لماذا ؟
ج: لا تنشأ الرابطة الھیدروجینیة إذا استبدلنا ذرة الأكسجین أو النیتروجین أو الفلور بأي ذرة أخرى كذرة الكبریت (S) أو البروم (Br) أو الكلور (Cl)على الرغم من أن كهروسالبیتھا عالیة كالسابقات، وذلك لأن ذرة الهيدروجين صغيرة جداً ویناسب صغرھا ھذا صغر ذرات الأكسجین والنیتروجین والفلور .

أهمية الرابطة الهيدروجينية 

الرابطة الھیدروجینیة هي أحد أنواع قوي التجاذب الضعيفة ذات الأهمية الكبيرة. ففي الماء مثلاً تؤثر الجزیئات بقوة على بعضھا البعض بواسطة الرباط الھیدروجیني (شكل ٧). وینتج عن ھذا قوى تجاذب أقوى بكثیر من تلك التي بین جزیئات أخرى مماثلة لھا في الحجم والكتلة، وھي التي تجعل الماء سائلاً عند درجة حرارة الغرفة .والرباط الهيدروجيني مسئول أيضاً فى التحكم فى توجيه جزئيات الماء فى حالة الجليد حيث يوجد كل جزئ من جزئيات الماء محاطاً بأربعة جزئيات أخري ومرتبطاً معها بواسطة روابط هيدروجينية. وسبب هذا في امتلاك الجلید لبنیة "مفتوحة " للغایة، وفي جعل الجلید أقل كثافة من الماء السائل حیث یطفو فوقه. ولھذا السبب تطفو المكعبات والجبال الجلیدیة (وھذا ھو السبب في الكارثة التي حلت بسفینة الركاب تیتانك Titanic التي غرقت إثر اصطدامھا بجبل جلیدي ).


تأثير الرابطة الهيدروجينية على صفات الماء

1- ینتج عن الرابطة الھیدروجینیة في الماء قوى تجاذب أقوى بكثير من تلك التى بین جزیئات أخرى مماثلة لھا في الحجم والكتلة.

2- بسبب الروابط الهيدروجينية نجد أن الماء له درجة غليان عالية حيث تبلغ الحرارة النوعية المكتسبة للتبخير(2257J/g).

3- والروابط الھیدروجینیة بین جزیئات الماء ھي التي تجعل الماء سائلاً عند درجة حرارة الغرفة . 

4 – تفسر قوة هذه الرابطة صغر المسافة التى تربط بين ذرات الهيدروجين والأكسجین مما ینتج عنه انخفاض ملحوظ في كثافة الماء عند درجة التجمد .

5- الترابط الهيدروجيني مسئول أيضا عن التحكم في توجيه جزئيات الماء في الجليد كما سبقت الإشارة إليه.

أمثلة للرابطة الهيدروجينية

1 - جزيء فلورید الھیدروجین HF

علل : تظھر جزیئات فلورید الھیدروجین HF على هيئة خطوط متعرجة؟
ج: يوجد على ذرة الفلور المرتبطة بالهيدروجين ثلاثة أزواج الكترونية حرة وبالتالي فإنه يمكن لذرة الفلور عمل رابطة هيدروجينية مع ذرة هيدروجين جزئ آخر من (HF) في أي اتجاه. لھذا السبب تظھر جزیئات (HF)على هيئة خطوط متعرجة .(zigzag).


2 - جزيء الماء H2O

علل : ظھور جزیئات الماء على ھیئة شبكة؟
ج: نظراً لوجود زوجین الكترونیین حرین في ذرة الأكسجین المرتبطة بالھیدروجین فإنه یمكن لذرة الأكسجین عمل رابطة هيدروجينية مع ذرة هيدروجين جزئ آخر(H2O) فى أي اتجاه من هذين الاتجاهين. لهذا السبب تظهر جزئيات الماء على هيئة شبكة .


3 - جزيء النشادر NH3 ؟

علل : تظھر جزیئات النشادر على ھیئة تفرعات ؟
ج: نظراً لوجود زوج الكتروني حر في ذرة النیتروجین المرتبطة بالھیدروجین فإنه لا یمكن لذرة النیتروجین عمل رابطة ھیدروجینیة مع ذرة ھیدروجین جزيء آخر إلا في اتجاه واحد، لھذا السبب تظھر جزیئات النشادر على ھیئة تفرعات .


4 - بعض المركبات العضویة Some Organic Compounds

أ‌- حمض الخل CH3COOH



ب‌- أورثونیتروفینول O-Nitrophenol

وفیه تظھر الرابطة الھیدروجینیة في نفس الجزيء.



المراجع : الرابطة الهيدروجينة Hydrogen bond ،  الفصل الثالث "الحالة السائلة " من كتاب أسس الكيمياء العامة والفيزيائية GENERAL AND PHYSICAL CHEMISTRY - الجزء الأول  للمؤلف / عمر بن عبدالله الهزازي أستاذ قسم الكيمياء - كلية العلوم التطبيقية - جامعة أم القرى