קשר מימן

קשר מימן, או גשר מימן, הוא קשר כימי בין-מולקולרי קוטבי הנוצר בין אטום מימן המחובר בקשר קוולנטי קוטבי עם אטום אלקטרושלילי של חנקן (N), פלואור (F) או חמצן (O) (בראשי תיבות, N,O,F) לאטום מאותה הקבוצה (N,O,F) במולקולה אחרת. בתוך מקרומולקולות, כגון חלבונים וחומצות גרעין, הקשר יכול להתקיים בין שני חלקים של אותה המולקולה. הקשר בין אטום המימן לאחד מאטומי N,O,F נוצר באמצעות קשרים בין מטענים חלקיים נגדיים, כאשר המטען החלקי החיובי של אטום המימן נמשך למטען החלקי השלילי אשר נמצא באזור האטום האלקטרושלילי במולקולה אחרת. קשרי מימן הם הקשרים הבין-מולקולריים החזקים ביותר, אבל חלשים בהרבה מקשרים יוניים, מתכתיים וקוולנטיים.

היווצרות הקשר

אטום המימן מאוד לא-יציב ותמיד שואף להתחבר ולהיות בתוך מולקולה שכן ערך האלקטרושליליות שלו הוא 2.1. לפי פאולינג, אטום המימן יחבור לאטום עם ערך אלקטרושליליות גבוה משלו בהפרש של מעל 0.8. לפיכך מתאימים רק אטומים של שלושה יסודות: חמצן, חנקן ופלואור. אלו אטומי אל-מתכות בעלי מסה נמוכה שבמהלך ביצוע קשר כימי נותרים עליהם זוג אלקטרונים בלתי קשור- זוג גלמוד - המקנה משיכה חשמלית למימן האלקטרו-חיובי הקשור למולקולה אחרת.
כך למשל בתוך מולקולת המים , כל מימן מאבד את האלקטרון חלקית לטובת אטום החמצן, שיש לו אלקטרושליליות גבוהה יותר (בתוך המולקולה עצמה). לפיכך נוצרת קוטביות בתוך המולקולה עצמה: נוצרים שני דיפולים  חשמליים (בין אטום החמצן לבין כל אחד מאטומי המימן), כאשר הקוטב החיובי של כל דיפול הוא באטום המימן ואילו הקוטב השלילי של כל דיפול הוא באטום החמצן. בשל גודלו הקטן של המימן נוצר מטען חיובי צפוף וחזק אשר יתרם לקשר מימן.
באופן דומה, כאשר מולקולה קוטבית זו נמצאת בקרבת מולקולה קוטבית אחרת, נניח עוד מולקולת מים, המטען השלילי על אטום החמצן יוצר קשר עם המטען החיובי על אטום המימן במולקולה השנייה.

מולקולת המים

הדוגמה הנפוצה ביותר להשפעתו של הקשר המימני מצויה במים. מים מורכבים מאטום חמצן (בעל אלקטרושליליות 3.5), ובו שני זוגות של אלקטרונים חופשיים, ומשני אטומי מימן.
כאשר המים במצב נוזלי, נוצר קשר המכונה "צבירים מתחלפים" (flickering clusters) אשר במהלכו מתחברים וניתקים בכל רגע קשרי מימן בין המולקולות. קשרים אלו מחזקים את הזיקה בין מולקולות המים, אך אינם חזקים דיים על מנת לקבע את המולקולות במקומן ולפיכך בממוצע מצליחים לשמור על  שלושה וחצי קשרי מימן. עם הירידה בטמפרטורה, מולקולות המים הופכות צפופות יותר ויותר. בטמפרטורה של כ-4 מעלות צלזיוס הן מגיעות לשיא צפיפותן אולם עם המשך ירידת הטמפרטורה, איטיות תנועתן של המולקולות גורמת לכך שארבעת קשרי המימן הופכים יציבים יותר ומרחיקים את המולקולות זו מזו. לבסוף, בנקודת הקיפאון, כל ארבעת קשרי המימן של מולקולת המים עם שכנותיה מתייצבים ונוצר טטראדר (ארבעון בעברית), כלומר ארבעה קשרים בממוצע.
ארבעת הקשרים היציבים מקבעים את המולקולות במרחק הרב ביותר זו מזו ולכן, במצב מוצק, קרח, מולקולות המים פחות צפופות מאשר במצב נוזלי וזו הסיבה לכך שקרחונים צפים על פני המים. תופעה זו ידועה כאנומליה של המים.

העלאת נקודת הרתיחה

קשרי מימן מעלים את נקודת הרתיחה ומורידים את נקודת הקפאון מאחר שיש קושי רב יותר לנתק את הקשר. ההשערה היא שללא קשרי מימן היו מים רותחים בטמפרטורה של 90- מעלות צלזיוס, אך קיום קשרי המימן במים גורם לעלייה של 190 מעלות בטמפרטורת הרתיחה (ולכן הם רותחים ב-100 מעלות צלזיוס). טמפרטורת הרתיחה הגבוהה הזו קיימת בשל הצורך להשקיע אנרגיה נוספת לשם ניתוק קשרי המימן. מאפיין זה קיים בתרכובות מימניות נוספות כגון אמוניה (NH₃) ומימן פלואורי (HF).

התמוססות במים

הידרופיליות היא היכולת של מולקולה להיקשר למים באמצעות קשרי מימן. לפיכך, ככל שחומר קוטבי או טעון יותר כך יכולת ההתמוססות שלו במים גוברת.