氢键是什么键(氢键是什么力)

氢键是一种分子间力，比范德华力强得多，但比共价键、离子键等化学键弱。氢键可以用虚线表示，如X—H Y，其中X和Y是电负性大，半径小的原子(如F，O，N等。)、“—”表示共价键，“…”表示氢键。由于氢键的存在，许多物质具有一些重要的性质。

生命摇篮的基石

人们爱把水称为“生命的摇篮”，因为它孕育生命，养育生命。不仅如此，它还像慈母一样保护生命。试想一下，如果我们的星球上没有广阔的水域，那么，白天炙热的阳光会把大地烤焦，夜晚的寒冷会让大地龟裂。在这种昼夜温差悬殊的环境下，生命难以生存和进化，所以地球将是一个死寂的世界。幸运的是，事实并非如此，因为水并没有抛弃她的孩子。白天广阔的水面将巨大的太阳能储存在怀中，晚上再慢慢释放热量，使得温度不会太高也不会太低，适合生命的生存和进化。

那么，水为什么这么有能力呢？这是因为水分子之间存在氢键，为了加剧水分子的热运动，需要大量的能量来克服氢键的作用。实验表明，将1g水的温度提高1℃，需要吸收1卡路里的热量。同样，1克水的温度下降1℃，就会释放1卡的热量。可见氢键的存在使得水有了更大的比热，使得水承担了调和地球上昼夜温差的责任。从这个意义上说，氢键是生命摇篮的基石。恐怕不算过分。

抵御严寒的天然屏障

当冬天到来时，河流和湖泊被冰甲覆盖。水面上的植物已经枯萎凋零，冰下的鱼虾却安然无恙。当然，鱼虾们并不知道，此时之所以能悠闲自得，也是靠氢键的作用！寒潮来袭，温度降到零摄氏度以下，水就开始结冰了。冰的晶体结构如图所示。水分子中的每个氧原子都位于正四面体的中心，正四面体通过极性共价键与两个氢原子相连，同时通过氢键与另外两个氢原子(属于另外两个水分子)相连。这使得冰晶中出现了大量的“洞”。因此，冰的体积比同质量的水大，但密度比水小(冰的密度为0.88~0.92这样，冰层就漂浮在水面上，成为抵御严寒进一步袭击的天然屏障。在厚冰的庇护下，冰下水温慢慢下降。当温度降至4℃时，水分子基本为二聚体(HO)。此时水的密度最大(1g/cm)，沉入河底。所以无论温度多低，河底的水都不会结冰，鱼虾才能保住性命。

“众酸之母”的奥秘

在十七世纪，人们会制造硫酸。之后，硫酸与一些矿物反应生成其他重要的酸，如硫酸与盐共加热制得的盐酸、与硝酸钠共加热蒸馏出的硝酸、与萤石共加热制得的氢氟酸(CaF₂).因此，硫酸曾被视为“万酸之母”。以上反应都是用高沸点强酸(硫酸)制备低沸点酸(盐酸、硝酸、氢氟酸等。).硫酸为什么沸点高？硫酸分子空之间的原始构型为四面体(如图)。硫原子位于四面体的中心，氧原子位于四面体的四个顶点，其中两个氧原子分别与两个氢原子键合，氢原子可以通过氢键与另一个硫酸分子中的氧原子相连，使硫酸分子发生一定程度的缔合，因此其沸点很高。可见“万酸之母”的奥秘也与氢键密切相关！

小苏打溶解度之谜

纯碱是碳酸钠的俗称，又称苏打，广泛应用于纺织、制皂、造纸、玻璃等行业。纯碱的工业生产方法有我国杰出化学家侯先生创造的侯氏制碱法和比利时工程师索尔维发明的氨碱法。侯氏制碱法比氨碱法更合理，具有原料利用率高、生产成本低的优点。不过两者有一个共同点，就是先制备碳酸氢钠(俗称小苏打)，再将其焙烧生成碳酸钠。为什么会这样呢？由于小苏打的溶解度远小于纯碱(20℃时，前者为9.6克，后者为21.5克)，所以很容易通过结晶从饱和溶液中分离出来。

为什么小苏打比纯碱溶解性差？又是氢键。

小扁担“曲而不折”的原因

一根小小的扁担，却能举起重物，“弯而不折”。原因是氢键帮助很大。因为木材的主要成分是纤维素，其结构中有很多葡萄糖羟基，这些羟基之间会形成大量的氢键，使纤维素长链盘绕缠绕，长链通过氢键相互结合，形成网状的体结构。因为木材中的氢键是沿着木材的木纹取向的，所以顺木纹劈开木材很容易，但是要把它弄断(也就是横木纹)就需要很大的力气。所以木杆在水平方向非常坚韧，即使弯曲也不会轻易折断。无独有偶，许多合成纤维也因形成大量氢键而增加了机械强度。比如用尼龙6做的拇指粗的绳子可以吊起四吨重的卡车而不断裂，用尼龙1010做的机器零件可以部分替代金属制品，等等。

“生命的双螺旋线”

图示:DNA双螺旋结构模型，碱基A、T、G、C间虚线表示氢键。

生物体特有的生长和繁殖功能，以及遗传和变异的特性，都是由核蛋白的性质决定的。核蛋白含有核酸，核酸是生物体制造蛋白质的模板。没有核酸就没有蛋白质，所以核酸是生命的物质基础。氢键也存在于核酸的结构中，这些氢键在核酸的生物功能中起着重要的作用。1953年，美国生物学家沃森和英国生物物理学家克里克提出了如图所示的脱氧核糖核酸分子(简写为DNA)的双螺旋结构模型，即DNA分子是由两股以螺旋构型缠绕而成，这两股之间有许多氢键。这些氢键将两个螺旋中相应的碱基按一定的顺序连接起来，使DNA具有复制自身分子和合成RNA(核糖核酸)分子的功能，使DNA具有了“生命的双螺旋”。

资料来源:数学和物理花园6(1984/2)

知识博览专栏

标题:关于氢键的有趣讨论

作者:解守宗

上海科学技术出版社出版。