LEGAME IDROGENO I legami chimici tengono uniti gli atomi l'uno all'altro per formare le molecole. Tali legami si formano in quanto la molecola risultante è energeticamente più stabile dei suoi componenti separati. La formazione di un legame chimico coinvolge gli elettroni che possono essere trasferiti da un atomo ad un altro, oppure condivisi fra due o più atomi.. Accanto ai legami chimici veri e propri esistono altri legami di carattere molto più debole che possono esercitarsi anche fra atomi appartenenti a molecole diverse: essi sono rappresentati essenzialmente dal legame idrogeno e dalle forze di van der Waals. Il legame idrogeno è molto più debole dei normali legami chimici, come dimostrato dalla sua energia di legame che è dell'ordine di 10 20 kjoule/mole, contro valori dell'ordine di centinaia di kjoule/mole. Esso è comunque decisamente più forte di altri tipi di legami intermolecolari, quali le forze di van der Waals. Il legame a idrogeno si forma tra un atomo di idrogeno legato covalentemente a un atomo fortemente elettronegativo (detto donatore) e un secondo atomo anch’esso elettronegativo (detto accettore). Il fluoro, l’ossigeno e l’azoto sono perciò eccellenti donatori e, allo stesso tempo, sono anche eccellenti accettori. Facendo un esempio di legame a idrogeno, in cui sono coinvolti un atomo X donatore cui è legato covalentemente un atomo di idrogeno (gruppo XH) e un atomo Z accettore. Il legame covalente XH è fortemente polarizzato a causa della marcata differenza di elettronegatività fra i due atomi; e indicano, rispettivamente, addensamenti di carica negativa e positiva sugli atomi coinvolti: X-­‐-­‐-­‐H-­‐ -­‐ -­‐ Z L’atomo di idrogeno, che porta un addensamento di carica positiva, è attratto dall’atomo Z, su cui esiste un addensamento di carica negativa. Il singolo legame idrogeno è piuttosto debole. In genere, però, se ne forma un gran numero contemporaneamente, e tutti insieme hanno un’influenza determinante sulle proprietà chimiche e fisiche di composti polari come il fluoruro di idrogeno e l’acqua. A causa della presenza di numerosi legami idrogeno tra le molecole, HF ha un punto di ebollizione più alto di quello di altre molecole (HCl, HBr, HI) contenenti elementi dello stesso gruppo del Sistema periodico, ma più pesanti e meno elettronegativi. A temperatura vicina a quella ambiente, HF è un liquido, mentre HCl, HBr, e HI sono gassosi. Allo stesso modo, le "anomalie" nelle proprietà dell’acqua si spiegano proprio con la presenza di legami idrogeno. Le molecole di acqua, H2O, interagiscono l’una con l’altra attraverso l’attrazione di una coda positiva (l’idrogeno) con una testa negativa (l’ossigeno). Più precisamente, un atomo di idrogeno, legato all'ossigeno in una molecola di acqua, forma legame idrogeno con l’atomo di ossigeno di un’altra molecola, facendo da ponte fra i due atomi di ossigeno. Le molecole di acqua possono interagire con moltissime sostanze attraverso legami idrogeno. Per esempio, esse interagiscono sia con i soluti polari, determinandone la solubilità, sia con macromolecole biologiche, come proteine ed acidi nucleici determinandone la conformazione in soluzione. Uno strano liquido: l'acqua Di solito, una sostanza allo stato solido in equilibrio con la sua fase liquida affonda. Quasi sempre, ma non l'acqua. Infatti è ben noto che il ghiaccio, l'acqua solida, galleggia sull'acqua liquida come, appunto, l'iceberg. Per la spinta di Archimede, una sostanza solida galleggia sulla sua fase liquida quando la spinta verso l'alto (cioè la forza verso la superficie liquida applicata al baricentro del corpo) che il solido riceve supera la sua forza peso. In altre parole, ciò accade quando la densità del solido è inferiore a quella del liquido. Dal punto di vista microscopico una fase condensata solida è caratterizzata, rispetto a quella liquida, da legami così forti da vincolare spazialmente una molecola (o uno ione o un atomo) in una ben determinata posizione rispetto alle altre, vincolo che permette solo oscillazioni rispetto alla posizione di equilibrio. Questa è la condizione in cui si formano gli edifici cristallini. Questi possono essere costituiti da ioni (sali e metalli) o da atomi (caso tipico il carbonio che forma il diamante), e in questo caso sono tenuti insieme da legami intramolecolari (legami ionici, metallici o covalenti), cioè da veri e propri legami chimici: invece nel caso di edifici formati da molecole neutre i legami sono di tipo intermolecolare, generalmente più deboli. Il ghiaccio ha una struttura cristallina di tipo molecolare e quello ordinario cristallizza nel sistema esagonale bipiramidale. Non solo acqua Il legame idrogeno si presenta ogni qual volta questo elemento è legato a un atomo più elettronegativo, quindi non solo l'ossigeno, ma anche molti altri non metalli (zolfo, azoto, fosforo, fluoro, ecc.). L'andamento delle temperature di ebollizione degli idruri non metallici dei diversi gruppi del Sistema periodico mostra che la regola dell'aumento del punto di ebollizione con il peso molecolare non vale per gli idruri più leggeri, formati dai non metalli più elettronegativi, proprio a causa del legame idrogeno che si conferma dunque più forte delle comuni attrazioni elettrostatiche dipolo-­‐dipolo. La clamorosa conferma delle virtù del legame idrogeno è data da una molecola molto diversa dall'acqua, ossia dal DNA. La replicazione del DNA e la sua trascrizione nell'RNA semplicemente non avverrebbero se il legame idrogeno non esistesse. Infatti l'appaiamento delle basi complementari adenina-­‐timina (A-­‐T) e citosina-­‐guanina (C-­‐G) si realizzano attraverso la formazione di 2 o 3 legami idrogeno. La struttura chimica delle basi puriniche (A e G) e di quelle pirimidiniche (C e T) è tale da rendere assolutamente specifici gli accoppiamenti. Il legame idrogeno è sufficientemente forte da rendere stabile il complesso formato dall'accoppiamento dei due filamenti di DNA ma non tale da costituire una barriera energetica insormontabile quando i due filamenti di devono separare durante il processo di duplicazione.
