Як це працює
Ця симуляція моделює 2D-популяцію зігнутих водоподібних молекул, що зазнають броунівського поступального і обертального руху. Кожна молекула зображена з червоним атомом кисню та двома білими атомами водню під правильним кутом H-O-H ~104.5°, з'єднаними суцільними ковалентними зв'язками O-H. Коли атом водню однієї молекули наближається до кисню сусідньої молекули і приблизно вирівнюється з ним — та сама майже лінійна геометрія O-H···O, яку вимагають реальні водневі зв'язки — може утворитися тимчасовий водневий зв'язок, зображений тонкою пунктирною лінією.
Щокадру пари H···O-кандидатів у межах порогової відстані та кутового допуску утворюють зв'язки з невеликою ймовірністю, а наявні зв'язки розриваються з невеликою ймовірністю, яка зростає з температурою. Це надає кожному зв'язку мінливу тривалість життя, точнісінько як пікосекундні водневі зв'язки в реальній рідкій воді, водночас популяція в цілому підтримує в середньому майже тетраедричну локальну координацію з 2-4 водневих зв'язків на молекулу.
Утворення: P(утворення) за такт, залежить від геометрії та повзунка сили
Розрив: P(розрив) за такт, зростає з температурою T
Макс. донорів на молекулу: 2 (атоми H) · Макс. акцепторів на молекулу: 2 (неподілені пари O)
Часті запитання
Що таке водневий зв'язок?
Водневий зв'язок — це електростатична і частково ковалентна притягальна взаємодія між атомом водню, ковалентно зв'язаним з електронегативним атомом (наприклад, O чи N), і неподіленою парою електронів сусіднього електронегативного атома. У воді він утворюється між воднем O-H однієї молекули та неподіленою парою кисню сусідньої молекули. Він сильніший за типове ван-дер-ваальсове притягання, але значно слабший за ковалентний зв'язок — приблизно 5-30 кДж/моль проти кількох сотень кДж/моль для ковалентного зв'язку O-H.
Чому молекули води мають зігнуту форму з кутом близько 104.5°?
Навколо атома кисню розташовані чотири електронні домени: дві зв'язувальні пари, спільні з атомами водню, і дві неподілені пари. Відштовхування VSEPR між усіма чотирма доменами штовхає їх до тетраедричного розташування, але оскільки неподілені пари відштовхуються сильніше за зв'язувальні, кут H-O-H стискається з ідеальних 109.5° до приблизно 104.5°.
Скільки водневих зв'язків може утворити одна молекула води?
До чотирьох. Кожна молекула води має два водні O-H, кожен з яких може віддати один водневий зв'язок, і дві неподілені пари кисню, кожна з яких може прийняти один водневий зв'язок. Саме ця чотирикратна, майже тетраедрична координація є причиною того, що рідка вода, а особливо лід, утворюють протяжні тривимірні мережі.
Чому мережу водневих зв'язків називають динамічною або швидкоплинною?
На відміну від нерухомих, довговічних зв'язків твердого іонного чи ковалентного кристала, окремі водневі зв'язки в рідкій воді постійно розриваються і утворюються знову через тепловий рух, з середньою тривалістю життя порядку пікосекунд. У будь-який момент часу більшість молекул пов'язані водневими зв'язками з кількома сусідами, але склад цих сусідів постійно змінюється, тож мережа в цілому постійно перебудовується, а не є статичною.
Як мережа водневих зв'язків пояснює аномально високу температуру кипіння води?
Вода (18 г/моль) кипить при 100°C, тоді як подібна за розміром молекула H2S (34 г/моль) кипить при -60°C. Оскільки молекулам води потрібно розірвати розлогу мережу водневих зв'язків, щоб перейти в газову фазу, потрібно набагато більше теплової енергії, ніж для молекул, утримуваних лише слабшими ван-дер-ваальсовими силами.
Чому мережа водневих зв'язків надає воді високу теплоємність і поверхневий натяг?
Значна частина тепла, доданого до води, витрачається на розтягування, згинання і розрив водневих зв'язків, а не просто на прискорення молекул, що підвищує її теплоємність. На поверхні молекули, яким бракує сусідів з одного боку, утворюють додаткові водневі зв'язки в площині поверхні, натягуючи її і створюючи аномально високий поверхневий натяг води.
Чому лід плаває у рідкій воді?
У льоду кожна молекула фіксується у чотирьох водневих зв'язках у відкритій, впорядкованій тетраедричній ґратці, що залишає великі порожні канали між молекулами. Невпорядкована мережа рідкої води в середньому щільніша. Оскільки лід займає більший об'єм при тій самій масі, він менш щільний за рідку воду і плаває — аномалія порівняно з більшістю речовин, які стискаються при замерзанні.
Чому гарячіша вода має менше водневих зв'язків і коротшу їх тривалість життя?
Водневі зв'язки слабкі порівняно з тепловою кінетичною енергією за вищих температур. Із зростанням температури молекули швидше рухаються поступально й обертально, руйнуючи точну геометрію відстані та кута, необхідну для збереження водневого зв'язку, швидше, ніж можуть утворюватися нові зв'язки, тож і середня кількість зв'язків на молекулу, і їхня середня тривалість життя падають. За дуже низької температури в симуляції мережа наближається до значно стабільнішого, льодоподібного розташування, хоча сама симуляція не змушує систему повністю кристалізуватися.
Яку роль водневі зв'язки відіграють у біології?
Водневі зв'язки утримують два ланцюги подвійної спіралі ДНК через спарювання основ (A-T та G-C) і стабілізують вторинні структури білків, такі як альфа-спіралі та бета-складки. Власна мережа водневих зв'язків води є центральною для сольватації, згортання білків і біохімії загалом, оскільки вона визначає, як молекули розчиняються, згортаються і взаємодіють у живих системах.