Nước tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng và khí, mỗi trạng thái có khối lượng riêng và nhiệt độ sôi khác nhau. Đặc tính này xuất phát từ liên kết hydro, còn được gọi là liên kết cộng hóa trị. Tuy nhiên, không phải ai cũng hiểu rõ liên kết hydro là gì và vai trò của liên kết hydro trong nước. Hãy cùng DKSmart khám phá chi tiết về phân tử này trong bài viết dưới đây.
alt: Mô hình cấu trúc phân tử nước với các liên kết hydro giữa các nguyên tử oxy và hydro
Mục Lục
Liên Kết Hydro Là Gì?
Liên kết hydro (H) là lực hút tĩnh điện giữa một nguyên tử hydro (H) đã liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử âm điện khác, đặc biệt là oxy (O), nitơ (N) và flo (F).
Liên kết H mang một số đặc điểm của liên kết cộng hóa trị như tính định hướng và độ mạnh, tạo ra khoảng cách tương tác ngắn và thường liên quan đến các đối tượng tương tác. Các đặc tính này thể hiện rõ hơn khi nguyên tố được liên kết có độ âm điện cao.
Cấu Tạo Phân Tử Hydro Trong Nước
Cấu tạo phân tử nước và liên kết giữa các phân tử nước là cơ sở cho nhiều tính chất của nước. Hiện nay, vẫn còn nhiều tính chất của nước mà các nhà khoa học chưa khám phá hết. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước được dùng làm hai điểm mốc cho thang đo bách phân Celsius (C). Cụ thể, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi lần lượt là 0°C và 100°C. Nước đóng băng gọi là nước đá, nước đã hóa hơi là hơi nước, và nước có nhiệt độ sôi nhờ vào liên kết hydro trong nước.
alt: Tinh thể nước đá với cấu trúc lục giác đặc trưng do liên kết hydro tạo thành
Dưới áp suất tiêu chuẩn, nước có khối lượng riêng cao nhất ở 4°C là 1g/cm³. Do đó, nước tiếp tục co giãn khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4°C. Điều này khó quan sát bằng mắt thường. Có nghĩa là trên 4°C, nước giống như mọi chất khác: nóng nở, lạnh co. Nhưng ở dưới 4°C thì ngược lại: lạnh nở, nóng co. Đó là do sự hình thành các hình thể đặc biệt với các góc liên kết H 104°45′. Khi làm lạnh, các phân tử nước dời ra, tạo thành các liên kết lục giác, vì vậy tỉ trọng nước đá nhẹ hơn nước lỏng.
Các Dạng Liên Kết Hydro Thường Gặp
- Liên kết hydro trong nước giữa hai phân tử nước.
- Tăng cường polymer.
- Giữa hai sợi DNA để tạo thành các chuỗi kép.
- Hình thành cấu trúc chuỗi cấp trong các protein.
- Giữa kháng thể và kháng nguyên.
- Giữa các sợi vải, dẫn đến sự hình thành nếp nhăn.
- Giữa một chất nền và một enzyme.
- Liên kết của các đoạn phiên mã DNA.
Các Tính Chất Đặc Trưng Của Liên Kết Hydro
Tác động đến trạng thái của chất
Liên kết hydro có hai dạng: Polime và Dimer.
H2O, HF và một số chất khác nhờ có liên kết Hydro mà hình thành được các polime. Từ đó, chúng có khối lượng lớn, liên kết phức tạp, khó linh động nên thường ở trạng thái lỏng hoặc rắn.
Chất có năng lượng liên kết Hydro thường là các dạng polime và ngược lại.
Nước đá ở thể rắn có nhiều liên kết Hydro, một phân tử nước tạo ra liên kết với bốn phân tử nước khác nhau, tạo thành tứ diện. Cấu trúc tứ diện này nhẹ hơn nước và nổi lên trên mặt nước.
Làm tăng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi
Khi chuyển trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, lỏng sang hơi, cần tốn thêm một phần năng lượng để bẻ gãy liên kết hydro. Bởi vậy, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các chất có liên kết hydro cao hơn những chất không có liên kết hydro.
Độ tan tăng
Khi tạo ra nhiều liên kết hydro giữa các phân tử chất tan với dung môi, độ tan càng lớn.
Trong các hợp chất chứa nhóm OH, ancol tạo nhiều liên kết hydro trong nước. Với các alcol có nhóm OH nhỏ và gốc hydrocarbon lớn, lực liên kết yếu hơn và khả năng hòa tan giảm.
Ảnh hưởng đến độ điện li
Do có nhiều liên kết hydro, các phân tử hydro ít linh động nên khó điện li. Vì vậy, đường và ancol thường là chất không điện li.
Liên kết Hydro trong nước
Các phân tử nước tương tác với nhau thông qua liên kết hydro. Nhờ đó, nước có lực hút phân tử lớn. Tuy nhiên, đây không phải là liên kết bền vững. Liên kết của các phân tử nước thông qua liên kết hydro trong nước chỉ tồn tại trong một phần nhỏ của giây. Sau đó, các phân tử nước tách ra khỏi liên kết này và chuyển sang liên kết với phân tử nước khác.
alt: Mô hình 3D minh họa liên kết hydro giữa các phân tử nước, thể hiện sự liên kết và tương tác
Đặc Điểm Của Liên Kết Hydro Trong AND
Liên kết hydro trong DNA được hình thành do sự xuất hiện cầu nối hydro giữa các phân tử. Nguyên tử hydro không tách hẳn phân tử hydro và cũng không nhập vào phân tử nhận H. Nó chỉ chuyển động giữa hai phân tử và hình thành nên một liên kết yếu. Khi phá vỡ liên kết hydro, cấu hình không gian của phân tử bị thay đổi, và phân tử bị mất chức năng sinh học.
ARN Có Liên Kết Hydro Không?
Tương tự như DNA, ARN cũng có cấu trúc xoắn. Những đoạn xoắn được hình thành do các bazơ nitơ ở mạch đơn bắt cặp và bổ sung với nhau nhờ liên kết hydro. Tuy nhiên, mạch đơn của ARN lại không có liên kết hydro nên kém bền vững và chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn.
Tính Chất Của Liên Kết Hydro Trong Nước
Nguyên tử hydro có đường kính nhỏ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các liên kết hydro trong nước. Chỉ có hydro mới có thể đến gần nguyên tử oxy một cách đầy đủ. Các chất tương tự như nước, ví dụ như đihiđro sunfua (H2S), không thể tạo thành các liên kết hydro vì chúng có sự khác biệt điện tích quá nhỏ giữa các liên kết.
Việc tạo ra các chuỗi liên kết cầu nối hydro là nguyên nhân cho các tính chất đặc biệt của nước. Ví dụ, nước có khối lượng mol nhỏ hơn (khoảng 18 g/mol) nhưng vẫn có thể tồn tại ở dạng lỏng trong điều kiện tiêu chuẩn, trong khi H2S tồn tại ở dạng khí ở điều kiện tương tự. Nước có khối lượng riêng lớn nhất ở 4°C, nhờ đó băng có thể nổi lên mặt nước. Hiện tượng này được giải thích nhờ vào liên kết Hydro trong nước.
Công Dụng Của Liên Kết Hydro Trong Nước
- Liên kết H trong nước là một yếu tố vô cùng quan trọng, mặc dù chúng chỉ có 5% sức mạnh so với liên kết cộng hóa trị, nhưng nó đủ để ổn định các phân tử nước.
- Liên kết hydro trong nước giúp ổn định và duy trì trạng thái lỏng trong một phạm vi nhiệt độ rộng.
- Do cần phải tốn thêm năng lượng để bẻ gãy liên kết hydro, nước có nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ sôi cao hơn các dihydro khác.
- Liên kết hydro làm cho băng đá nhẹ hơn nước lỏng, do đó băng nổi trên mặt nước.
- Nhờ có liên kết H, nước có thể bay hơi, làm cho hệ sinh thái trên trái đất tuần hoàn tự nhiên.
- Bảo vệ và chống lại sự thay đổi nhiệt độ cực đoan, giúp duy trì sự ổn định của các cơ quan nước và môi trường ẩm ướt, đồng thời điều chỉnh nhiệt độ trên toàn cầu.