קשר מימן

קשר מימן הוא קשר בין-מולקולרי קוטבי. הוא נוצר כאשר אטום מימן, שקשור בקשר קוולנטי קוטבי לאטום אלקטרושלילי (חנקן, חמצן או פלואור), נמשך לאטום של אחד מאותם יסודות במולקולה אחרת. אלקטרושליליות היא הנטייה של אטום למשוך אליו אלקטרונים. הקשר נגרם על ידי משיכה בין מטענים חלקיים הפוכים, כלומר דיפולים - הפרדות מטען חיובי ושלילי בתוך המולקולה. בתוך מולקולות גדולות כמו חלבונים או חומצות גרעין, הקשר יכול לקשור חלקים שונים של אותה המולקולה.

אטום מימן יוצר קשר כזה בעיקר אם הוא קשור לאטום בעל אלקטרושליליות גבוהה יותר. לפי פאולינג, ההפרש באלקטרושליליות צריך להיות מעל כ-0.8, ולכן מתאימים בעיקר חמצן, חנקן ופלואור. אטומים אלה שומרים לעיתים על זוג אלקטרונים בלתי-קשור (זוג גלמוד). הזוג הזה יוצר אזור של מטען שלילי שמושך את המימן החיובי למחצה.

נושא העיקרי שבו רואים קשרי מימן הוא המים. במולקולת מים כל מימן נושא מטען חיובי חלקי ואטום החמצן נושא מטען שלילי חלקי. מולקולות מים יוצרות ביניהן רשת של קשרי מימן שמתחברים ונפרדים כל הזמן, תופעה שנקראת "צבירים מתחלפים". בממוצע כל מולקולת מים מקיימת כ-3.5 קשרים כאלה בנוזל. בטמפרטורה של כ-4°C מגיעת צפיפות המים לשיאה. מתחת לכך קשרי המימן הופכים יציבים יותר, ולבסוף בקיפאון כל מולקולת מים יוצרה קשרים בסידור טטראדרי (ארבעה קשרים). סידור זה מרחיק בין המולקולות ולכן קרח פחות צפוף מהמים הנוזליים; לכן הוא צף, תופעה שנקראת אנומליה של המים.

קשרי מימן משפיעים על תכונות החומרים. הם מגבירים את נקודת הרתיחה, כי צריך להשקיע אנרגיה כדי לשבורם. ללא קשרי מימן היו מים רותחים הרבה יותר נמוך, לפי ההשערה סביב -90°C; בזכותם מים רותחים ב-100°C. גם תרכובות אחרות, כמו אמוניה (NH3) ו-HF, מראות השפעות של קשרי מימן.

חומרים שיכולים ליצור קשרי מימן עם מים נמסים בהם בקלות יותר. תכונה זו נקראת הידרופיליות, היכולת להיקשר למים באמצעות קשרי מימן. ככל שמולקולה קוטבית או טעונה יותר, כן גדלה יכולת ההתמוססות שלה במים.

קשר מימן הוא משיכה עדינה בין מולקולות. זה קורה כשרק מימן נפגש עם חמצן, חנקן או פלואור. אלקטרושליליות (כמה אטום רוצה אלקטרונים) עוזרת לזה לקרות. המימן מקבל מטען חיובי קטן. האטום השני נותן מטען שלילי קטן. המטענים האלו נמשכים זה לזה.

רק שלושה יסודות מתאימים: חמצן, חנקן ופלואור. הם שומרים על זוג אלקטרונים חופשי. הזוג הזה מושך את המימן מהאטום השכן.

במים כל מולקולה מתחברת לאחרות בקשרי מימן. הקשרים מתחברים ונפתחים כל הזמן. במים נוזלים כל מולקולה מחזיקה כ-3.5 קשרים בממוצע. כשהמים מתקררים, הקשרים מתייצבים. בקרח כל מולקולת מים יוצרת ארבעה קשרים. הסידור הזה משאיר מקום ביניהן. לכן קרח פחות צפוף מהמים. לכן קרח צף על המים.

קשרי מימן מעלים את טמפרטורת הרתיחה. בלי קשרים כאלה, מים היו רותחים בטמפרטורה נמוכה מאוד. גם חומרים אחרים, למשל אמוניה ו-HF, יכולים ליצור קשרי מימן.

מולקולות שיודעות להתחבר למים דרך קשרי מימן נמסות בקלות. זה נקרא הידרופיליות (אהבת המים).