תוֹכֶן
מולקולות קוטביות הכוללות אטום מימן יכולות ליצור קשרים אלקטרוסטטיים הנקראים קשרי מימן. אטום המימן הוא ייחודי בכך שהוא מורכב מאלקטרון בודד סביב פרוטון יחיד. כאשר האלקטרון נמשך לאטומים האחרים במולקולה, המטען החיובי של הפרוטון שנחשף מביא לקיטוב מולקולרי.
מנגנון זה מאפשר למולקולות כאלה ליצור קשרי מימן חזקים מעבר לקשרים הקוואלנטיים והיוניים שהם הבסיס לרוב התרכובות. קשרי מימן יכולים להקנות לתרכובות תכונות מיוחדות ויכולים להפוך חומרים ליציבים יותר מתרכובות שלא מצליחות ליצור קשרי מימן.
TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
למולקולות קוטביות הכוללות אטום מימן בקשר קוולנטי יש מטען שלילי בקצה אחד של המולקולה ומטען חיובי בקצה הנגדי. האלקטרון הבודד מאטום המימן נודד לאטום השני הקשור בקואליות ומותיר את פרוטון המימן טעון חיובי. הפרוטון נמשך לקצה הטעון השלילי של מולקולות אחרות ויוצר קשר אלקטרוסטטי עם אחד האלקטרונים האחרים. קשר אלקטרוסטטי זה נקרא קשר מימן.
כיצד נוצרות מולקולות קוטביות
בקשרים קוולנטיים, אטומים חולקים אלקטרונים ליצירת תרכובת יציבה. בקשרים קוולנטיים לא פולאריים, האלקטרונים משותפים באופן שווה. לדוגמה, בקשר פפטידים לא פולוטריים, אלקטרונים מחולקים באופן שווה בין אטום הפחמן של קבוצת הפחמן-חמצן קרבוניל לבין אטום החנקן של קבוצת אמי חנקן-מימן.
לגבי מולקולות קוטביות, האלקטרונים המשותפים בקשר קוולנטי נוטים להתאסף בצד אחד של המולקולה בעוד שהצד השני הופך להיות טעון חיובי. האלקטרונים נודדים מכיוון שלאחד האטומים יש זיקה גדולה יותר לאלקטרונים בהשוואה לאטומים האחרים בקשר הקואוונטי. לדוגמה, בעוד שקישור הפפטיד עצמו אינו קוטבי, מבנה החלבון המשויך נובע מקשרים מימן בין אטום החמצן של קבוצת הקרבוניל לבין אטום המימן של קבוצת האמיד.
תצורות קשר קוולנטיות אופייניות מזווגות אטומים שיש להם מספר אלקטרונים במעטפת החיצונית שלהם עם אלה הזקוקים לאותו מספר אלקטרונים כדי להשלים את הקליפה החיצונית שלהם. האטומים חולקים את האלקטרונים הנוספים מהאטום הקודם, ולכל אטום יש מעטפת אלקטרונים חיצונית מלאה בחלק מהזמן.
לעתים קרובות האטום הזקוק לאלקטרונים נוספים בכדי להשלים את הקליפה החיצונית שלו מושך את האלקטרונים חזק יותר מאשר האטום המספק את האלקטרונים הנוספים. במקרה זה, האלקטרונים אינם משותפים באופן שווה, והם מבלים זמן רב יותר עם האטום המקבל. כתוצאה מכך, האטום המקבל נוטה להיות מטען שלילי בעוד אטום התורם טעון חיובי. מולקולות כאלה מקוטבות.
כיצד נוצרים אג"ח מימן
מולקולות הכוללות אטום מימן קשור בקואליזם לרוב מקוטבות מכיוון שהאלקטרון היחיד של אטום המימן מוחזק באופן רופף יחסית. זה נודד בקלות לאטום השני של הקשר הקוויאלי, ומשאיר את הפרוטון היחיד טעון חיובי של אטום המימן בצד אחד.
כאשר אטום המימן מאבד את האלקטרון שלו, הוא יכול ליצור קשר אלקטרוסטטי חזק מכיוון שבניגוד לאטומים אחרים, אין לו עוד אלקטרונים המגנים על המטען החיובי. הפרוטון נמשך לאלקטרונים של המולקולות האחרות, והקשר המתקבל נקרא קשר מימן.
אג"ח מימן במים
מולקולות המים, עם הנוסחה הכימית H2O, מקוטבים ויוצרים קשרי מימן חזקים. אטום החמצן הבודד יוצר קשרים קוולנטיים עם שני אטומי המימן אך אינו חולק את האלקטרונים באופן שווה. שני אלקטרוני המימן מבלים את רוב זמנם עם אטום החמצן, שהופך טעון שלילי. שני אטומי המימן הופכים לפרוטונים בעלי מטען חיובי ויוצרים קשרי מימן עם האלקטרונים מאטומי החמצן של מולקולות מים אחרות.
מכיוון שמים יוצרים את הקשרים הנוספים הללו בין מולקולותיהם, יש להם כמה תכונות חריגות. למים יש מתח פנים חזק במיוחד, יש להם נקודת רתיחה גבוהה באופן יוצא דופן והם דורשים אנרגיה רבה כדי להחליף מים נוזלים לאדים. תכונות כאלה אופייניות לחומרים שעבורם מולקולות מקוטבות יוצרים קשרי מימן.