Β΄ Λυκείου: Δεσμός υδρογόνου

Δεσμός Η ανάμεσα σε μόριο νερού και αμμωνίας

Δεσμός Η ανάμεσα στα μόρια του νερού

                                             
Δείτε στην εφαρμογή που ακολουθεί το δεσμό υδρογόνου (hydrogen bonding)
Ακόμη μπορείτε να ξαναθυμηθείτε τον ιοντικό δεσμό (ionic bonding) στο NaCl και τον ομοιοπολικό δεσμό (covalent bonding) στο Η2
Ξεκινήστε την εφαρμογή εδώ


                                                 Ο ΘΑΥΜΑΣΤΟΣ ΚΟΣΜΟΣ ΤΟΥ ΝΕΡΟΥ

Διερεύνηση σε ερωτήματα όπως «γιατί τα παγόβουνα επιπλέουν στην θάλασσα;» ή «γιατί όταν παγώνουν οι επιφάνειες των λιμνών και των ποταμών, δεν παγώνει και ο βυθός τους;» μαρτυρά τον ιδιαίτερο χαρακτήρα του νερού, σε σχέση με την πλειοψηφία των υγρών και αποκαλύπτει τον...θαυμαστό κόσμο του νερού.

Το μόριο του νερού και η γεωμετρία του

Το μόριο του νερού αποτελείται από ένα άτομο οξυγόνου, το οποίο συνδέεται μέσω ομοιοπολικών δεσμών με 2 άτομα υδρογόνου. Η γωνία που σχηματίζουν τα 2 άτομα υδρογόνου του νερού με το άτομο του οξυγόνου στην κορυφή είναι 104,5° έναντι του κανονικού τετραέδρου, στο οποίο η αντίστοιχη γωνία είναι 109,28°.

Οι δεσμοί οξυγόνου - υδρογόνου στο μόριο του νερού είναι πολωμένοι ομοιοπολικοί, λόγω της διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας των 2 στοιχείων. Το άτομο του οξυγόνου είναι ηλεκτραρνητικότερο από το άτομο του υδρογόνου, όπως μαρτυρούν και οι θέσεις των στοιχείων αυτών στον Περιοδικό Πίνακα (το οξυγόνο βρίσκεται δεξιά του υδρογόνου). Για τον λόγο αυτό, το κοινό ζεύγος ηλεκτρονίων του κάθε ομοιοπολικού δεσμού είναι μετατοπισμένο προς την πλευρά του οξυγόνου, αφού έλκεται περισσότερο από αυτό. Το γεγονός αυτό, οδηγεί σε μη συμμετρική κατανομή του φορτίου εντός του μορίου του νερού, με αποτέλεσμα το νερό να εμφανίζεται σαν ηλεκτρικό δίπολο.

Το μοριακό βάρος του νερού είναι 18g/mol.

                            

Οι δεσμοί υδρογόνου

Ανάμεσα στα μόρια του νερού αναπτύσσονται δεσμοί υδρογόνου. Δεσμός Υδρογόνου ονομάζεται ο δεσμός που σχηματίζεται μεταξύ ενός ατόμου υδρογόνου μιας χημικής ένωσης και ενός πολύ ηλεκτραρνητικού ατόμου μικρού μεγέθους (F, O, N) ενός άλλου γειτονικού μορίου. Ο δεσμός ή γέφυρα υδρογόνου είναι δεσμός ηλεκτροστατικής φύσεως. Συμβολίζεται με τρεις τελείες (...). Από τον ορισμό, γίνεται σαφές ότι οι δεσμοί υδρογόνου είναι διαμοριακοί δεσμοί (αναπτύσσονται ανάμεσα σε διαφορετικά μόρια) και σαν τέτοιοι είναι ασθενέστεροι από τους ενδομοριακούς δεσμούς (αναπτύσσονται μεταξύ ατόμων για να σχηματίσουν τα μόρια).

                                   
 

Κάθε μόριο νερού μπορεί να ενωθεί μέσω δεσμών υδρογόνου ταυτόχρονα με άλλα 4 όμοια γειτονικά μόρια, δημιουργώντας τρισδιάστατα πλέγματα. Η αλληλεπίδραση αυτή μεταξύ των μορίων του νερού δεν είναι μια στατική κατάσταση. Τα μόρια του νερού, στην υγρή κατάσταση, είναι ιδιαίτερα ευκίνητα. Καθώς λοιπόν αυτά κινούνται, κάποιοι δεσμοί σπάνε και κάποιοι άλλοι δημιουργούνται διαρκώς. Η δημιουργία των πλεγμάτων αυτών μπορεί να εξηγήσει πολλές από τις ασυνήθιστες φυσικές ιδιότητες του νερού. Οι υψηλές τιμές θερμοχωρητικότητας, το υψηλό σημείο ζέσης του σε σχέση με άλλα μόρια με παραπλήσια μοριακά βάρη (π.χ. H2S, CH4, κ.α.), η επιφανειακή τάση και η θερμότητα εξαέρωσης – εξάχνωσης οφείλονται στο επιπλέον ποσό ενέργειας που απαιτείται για το σπάσιμο των διαμοριακών δεσμών υδρογόνου μεταξύ γειτονικών μορίων νερού.

Διαστολή του νερού

Αν θερμάνουμε μια ποσότητα ενός υγρού, τότε αυτό θα διαστέλλεται. Η προσφορά θερμότητας στο υγρό θα έχει σαν αποτέλεσμα την μεγαλύτερη ευκινησία των μορίων του. Αφού, λοιπόν, τα μόρια του υγρού κινούνται με μεγαλύτερες ταχύτητες είναι αναμενόμενο η συγκεκριμένη μάζα του υγρού να εμφανίζει και μεγαλύτερο όγκο. Αν η προσφορά θερμότητας μάλιστα συνεχιστεί, τότε σε κάποια θερμοκρασία τα μόρια θα κινούνται τόσο έντονα που θα υπερνικούν τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις και θα μεταβούν στην αέρια κατάσταση (σημείο ζέσης ή σημείο βρασμού).

Η παραπάνω θεώρηση δεν είναι καθολική. Το νερό είναι η εξαίρεση του κανόνα, γεγονός με σημαντικότατες συνέπειες για την διατήρηση της υδρόβιας ζωής.

Ας θεωρήσουμε μια ποσότητα νερού στους 0 βαθμούς Κελσίου. Αν ξεκινήσουμε να θερμαίνουμε την ποσότητα αυτή, θα διαπιστώσουμε το αρχικά φαινομενικό παράδοξο, ότι το νερό συστέλλεται για την περιοχή θερμοκρασιών μεταξύ 0 και 4 βαθμών Κελσίου. Πάνω από την θερμοκρασία αυτή, το νερό υιοθετεί την συμπεριφορά των υπολοίπων υγρών και διαστέλλεται κανονικά.

Που κρύβεται όμως αυτή η ιδιάζουσα συμπεριφορά και ποιες συνέπειες μπορεί να έχει;

Ας επιχειρήσουμε να διερευνήσουμε το παραπάνω ερώτημα, ξεκινώντας από κάποιες απλές σκέψεις. Η συστολή του νερού από τους 0 έως τους 4 βαθμούς Κελσίου και η ακόλουθη διαστολή του πάνω από τους 4 βαθμούς, δείχνει ότι το νερό στην θερμοκρασία αυτή έχει το μικρότερο δυνατό όγκο. Συνεπώς στην θερμοκρασία αυτή, θα έχει και την μέγιστη δυνατή πυκνότητα (θυμηθείτε: η πυκνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη του όγκου).

Στους 0 βαθμούς Κελσίου, το νερό απαντά σε στερεή κατάσταση (πάγος), η οποία μπορεί να αποδοθεί με μια χαρακτηριστική κρυσταλλική, εξαγωνική δομή (βάση πειραματικών δεδομένων IR φασματοσκοπίας, φασματοσκοπίας Raman και ακτίνων Χ).Στον πάγο, σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία, μεταξύ των μορίων του νερού εμφανίζεται ένας σημαντικός αριθμός δεσμών υδρογόνου, που οδηγεί στον σχηματισμό κρυσταλλικού πλέγματος. Κάθε δομική μονάδα του κρυσταλλικού πλέγματος είναι ένα τετράεδρο. Στο κέντρο του τετραέδρου υπάρχει το οξυγόνο που ενώνεται με τα 2 άτομα υδρογόνου του ίδιου μορίου μέσω ομοιοπολικών δεσμών και με δεσμούς υδρογόνου με 2 άτομα υδρογόνου διαφορετικών, γειτονικών μορίων.

                                               

Η διάταξη αυτή είναι μια «ανοιχτή δομή», δηλαδή μια δομή που αφήνει αρκετούς κενούς εσωτερικούς χώρους. Όταν η θερμοκρασία του πάγου αυξάνεται, κάποιοι από τους δεσμούς αυτούς καταστρέφονται και τα μόρια του νερού που ελευθερώνονται εγκλωβίζονται στα κενά του πλέγματος. Αυτός ο εγκλωβισμός παρέχει την ερμηνεία της συστολής του νερού. Τα μόρια που ελευθερώνονται δεν απομακρύνονται από την υπόλοιπη μάζα του πάγου οδηγώντας σε αύξηση του όγκου και συνεπώς σε διαστολή, αλλά αντίθετα «βυθίζονται» στο εσωτερικό του, στους κενούς χώρους που υπάρχουν στην εξαγωνική δομή, με αποτέλεσμα να μειώνεται ο όγκος του και να έχουμε συστολή.

Χωρίς την «ανωμαλία» αυτή του νερού οι πάγοι θα ήταν βαρύτεροι από το νερό και θα βυθιζόντουσαν στη μάζα του υγρού. Τα παγάκια συνεπώς επιπλέουν σε ένα ποτήρι με νερό και τα παγόβουνα επιπλέουν στην θάλασσα!

Η ασυνήθιστη αυτή συμπεριφορά του νερού έχει πολύ μεγάλη σημασία, όπως προαναφέρθηκε, για την διατήρηση της ζωής στον βυθό των θαλασσών. Το χειμώνα, όταν η θερμοκρασία του νερού της επιφάνειας των λιμνών και των ποταμών φτάσει στους 4 βαθμούς Κελσίου, αυξάνεται η πυκνότητα του, οπότε βυθίζεται. Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται έως ότου όλη η ποσότητα του νερού να φτάσει τους 4 βαθμούς Κελσίου. Από το σημείο αυτό και μετά, η θερμοκρασία του νερού αρχίζει να πέφτει. Η διάρκεια όμως του χειμώνα δεν είναι τόσο μεγάλη, ώστε τελικά η θερμοκρασία του νερού να φτάσει στο μηδέν και να μετατραπεί όλο σε πάγο, θέτοντας σε κίνδυνο την υδρόβια ζωή.Το φαινόμενο αυτό ερμηνεύεται επίσης με την δημιουργία δεσμών υδρογόνου ανάμεσα στα μόρια του νερού.