知识博览会：关于氢键的有趣讨论

氢键是分子间的力，比范德华力强得多，但比共价键和离子键等化学键弱。

氢键可以用虚线表示，如X—HY。 其中x和y是电负性大、半径小的原子。 例如，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。

生命摇篮的基佬们喜欢把水称为“生命的摇篮”。 这是因为水孕育了生命，养育了生命。 不仅如此，水像慈母一样保护了生命。

设想一下，如果我们这个星球上没有广阔的水域，白天炽热的太阳会把地球烤得很烫，晚上寒冷会把地球冻裂。 在这个昼夜温差非常大的环境中，生命很难生存，也很难进化，所以地球也会变成死寂的世界。

幸运的是，事实并非如此。 因为水没有抛弃她的孩子。

白天，浩翰水储存着巨大的太阳能，夜晚缓慢释放热量，气温不高也不低，适合生命的生存、进化。

那么，为什么水有这么大的“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，必须消耗很大的能量来克服氢键的作用。

实验表明，使一克水的温度上升1需要吸收一卡热量； 同样，一克水的温度下降1时，会释放出一卡的热量。

可见氢键的存在使水具有较大的比热，水承担着协调地球昼夜温差的责任。

从这个意义上来说，说氢键是生命摇篮的基础一点也不过分吧。

抵御严寒的自然屏障到了严冬，江湖披上了雪白的冰甲。

水面上的植物枯萎枯萎了，但冰下的鱼和虾平安无事。

当然，虾们不知道，它们此时之所以能悠闲地自乐，也是因为依靠氢键的作用。 寒流袭来，气温低于摄氏零度时，水开始结冰。

冰的晶体结构如图所示，水分子中的每个氧原子位于一个正四面体的中心，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相连。 由此，冰的结晶中存在大量的“孔”。 因此，冰的体积大于同质量的水的体积，密度小于水的密度(例如

这样，冰就会浮在水面上，成为防止严寒进一步袭击的天然屏障。

在厚冰的保护下，冰下水温下降缓慢。

下降到4时，水分子基本上是二聚体分子( ho )，此时，水的密度最大( 1克/cm )下沉到河床。

所以即使气温低，河底的水也不会冻结，鱼和虾们可以保护生命。

冰的晶体结构

“所有酸之母”的神秘之处在于17世纪，人们已经制造硫酸。

然后，硫酸与几种矿物反应，与硫酸和食盐共热生成盐酸，与硝酸钠共热蒸馏硝酸，与萤石( caf )共热生成氢氟酸等其他重要酸。

因此硫酸曾被尊为“所有酸之母”。

上述反应均用高沸点的强酸(硫酸)制备低沸点的酸(盐酸、硝酸、氢氟酸等)。

硫酸为什么具有高沸点的性质呢？ 原来硫酸分子的空间构型是四面体形，如图所示，硫原子位于四面体的中心，氧原子位于四面体的四个顶点。 其中两个氧原子再与两个氢原子结合，氢原子通过氢键与另一个硫酸分子中的氧原子连接，可以在一定程度上在硫酸分子之间发生缔合，因此沸点很高。

可见“伉酸之母”的奥秘也与氢键密切相关。

苏打溶解度之谜纯碱是碳酸钠的俗称，又称小苏打，广泛应用于纺织、肥皂制造、造纸、玻璃等工业。

纯碱的工业制法有我国优秀的化学家侯德榜先生制定的“侯氏制碱法”和比利时工程师索尔韦发明的“氨碱法”。

侯氏制碱法比氨碱法更合理，具有原料利用率高、生产成本低的优势。

但是，两者有相同之处。 也就是说，先制作碳酸氢钠(俗称小苏打)，然后将其煅烧制成碳酸钠。

为什么会这样呢？ 由于小苏打的溶解度比纯碱小得多( 20时，前者9.6克，后者21.5克)，容易从饱和溶液中结晶析出并与溶液分离。

为什么苏打的溶解度比纯碱小呢？ 这又是氢键的作用。

“弯不折”的小扁担挑起重物，究其“弯不折”的原因，氢键还是有帮助的。

由于木材的主要成分是纤维素，其结构中存在大量的葡萄糖羟基，这些羟基之间形成了许多氢键，纤维素的每一根长链相互缠绕，进而长链之间通过氢键结合，形成网状的体型结构。

由于木材中的氢键是沿着木材的纹理取向的，所以沿着纹理分割木材比较容易，但要将其折叠(即横穿纹理)需要很大的劳力。

所以木扁担从侧面看是坚韧的，即使弯曲也不容易折断。

无独有偶，许多合成纤维也由于大量氢键的形成，增大了它们的机械强度。

例如，用尼龙-6做的拇指粗细的绳子，足以吊起4吨的载重汽车，不会断。 用尼龙1010制作的机械零件，部分可以代替金属制品。 等等。

“生命的双螺旋”

图描述： DNA双螺旋结构模型，a、t、g、c碱基间虚线表示氢键生物特有的生长和繁殖功能及遗传和变异特征，由核蛋白性质决定。

核蛋白的组成包括核酸，它是生物制造蛋白质的模板。

没有核酸就没有蛋白质，所以核酸是生命的物质基础。

核酸结构中也存在氢键，且这些氢键对核酸的生物功能具有重要作用。

1953年，美国生物学家沃森和英国生物物理学家克里克提出的脱氧核糖核酸分子( DNA )双螺旋结构模型如下。 也就是说，DNA分子由两条螺旋缠绕的链组成，这两条链之间有许多氢键，这些氢键将两条螺旋的相应碱基按一定顺序连接在一起，使DNA具有复制自身分子和合成RNA )核糖核酸)分子的功能

来源： 《数理化生园地》6(1984/2 )知识博览专栏标题：氢键趣闻作者：解守宗上海科技出版社出版。