乐趣趣科普（知识博览氢键趣谈）

氢键是一种分子间的作用力，它比范德华力强得多，但比共价键、离子键等化学键要弱。氢键可用虚线表示，如 X—H···Y ，其中 X 和 Y 是电负性大、半径较小的原子(如 F 、O、 N 等)，“—”表示共价键，“…”表示氢键。由于氢键的存在，很多物质便具有了一些重要性质。

人们爱把水誉为“生命的摇篮”，这是因为水孕育了生命，抚养了生命，不仅如此，水还象慈母一样保护了生命。试想，假如我们这个星球上没有广阔的水域，那么，白天炽热的阳光将把地球烤得焦烫，夜晚严寒将使地球冻得开裂，在这昼夜温差悬殊的环境中，生命是难以生存、演化的，因此地球也将是一个死寂的世界。幸亏事实并非如此，因为水没有抛弃她的儿女。白天，浩翰的水把巨大的太阳能贮藏在怀抱里，夜晚再慢慢地把热量释放出来，这就使气温不太高，也不很低，适宜生命的生存、演化。

那么，为什么水有如此之大的“能耐”呢？这是因为水分子间存在氢键，要使水分子的热运动加剧，就必须耗费较大的能量来克服氢键的作用。实验测出，要使1克水温度升高1℃，需要吸收1卡热量；同样，1克水温度下降1℃，就会放出1卡的热量。可见，氢键的存在使水具有了较大的比热，从而使水能担负起调和地球昼夜温差的责任。从这个意义上来说，氢键是生命摇篮的基石，恐怕一点也不过分吧。

严冬来临，河川湖泊披上了皑皑冰甲。水面上的植物早已枯萎凋残，然而冰层下面的鱼儿虾儿却安然无恙。当然，鱼虾们并不知道，它们此时之所以能悠闲自乐，也是仰仗于氢键的作用呢！当寒潮袭来，气温低于摄氏零度时，水开始结冰。冰的晶体结构如图所示，水分子里的每一个氧原子位于一个正四面体的中心，它以极性共价键与两个氢原子相连，同时又通过氢键与另外两个氢原子（分属于另外两个水分子）相连，这使冰晶体中存在着大量的“孔穴”，因此，冰的体积比同质量水的体积大，而密度比水的小(冰的密度为0.88~0.92克／厘米³)。这样，冰层就浮在水面上，成为抵御严寒进一步袭击的天然屏障。在厚厚的冰层的庇护下，冰下的水温下降缓慢。当降到4℃时，水分子基本上都是双聚分子（H₂O)₂，在这个时候，水的密度最大（1克／厘米³），就沉入河底。所以气温再低，河底的水也不会结冰，使鱼虾们得以保住生命。

冰的晶体结构

十七世纪时，人们已会制造硫酸。此后，又用硫酸与一些矿物反应，制造出另一些重要的酸，如用硫酸和食盐共热制得盐酸，与硝酸钠共热蒸馏出硝酸，与萤石（CaF₂）共热制得氢氟酸。因此硫酸曾被尊奉为“众酸之母”。上述反应都是用高沸点的强酸（硫酸）来制取低沸点的酸（盐酸、硝酸、氢氟酸等）的。为什么硫酸具有高沸点这一性质呢？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，其中两个氧原子再分别和两个氢原子成键，而氢原子又可以通过氢键和另一个硫酸分子中的氧原子连结起来，使硫酸分子间发生一定程度的缔合，所以它的沸点很高。可见，“众酸之母”的奥秘也跟氢键密切相关呢！

纯碱是碳酸钠的俗名，又称苏打，广泛用于纺织、制皂、造纸、玻璃等工业。纯碱的工业制法有我国杰出的化学家侯德榜先生创造的“侯氏制碱法”，还有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、生产成本低的优越性。但是，两者又有相同的地方，即都是先制得碳酸氢钠（俗称小苏打），然后再将它焙烧，制得碳酸钠。为什么要这样呢？因为小苏打的溶解度比纯碱小得多（20℃时，前者为9.6克，而后者为21.5克），它很容易从饱和溶液中结晶析出而与溶液分离。

为什么小苏打比纯碱溶解度要小呢？这又是氢键的作用。

小扁担能挑起重物，“曲而不折”，究其原因，还是氢键帮了大忙。因为木材的主要成分是纤维素，它的结构中存在不少葡萄糖羟基，这些羟基间会形成为数众多的氢键，使一根根纤维素长链盘绕纠缠在一起，而且长链之间彼此又通过氢键结合起来，形成了类似网状的体型结构。由于木材中的氢键是顺着木材的纹理取向的，所以把木材顺纹理劈开比较容易，而要把它折断（即横断纹理），就要费很大的劲。所以木扁担从横向上看很坚韧，即使弯曲也不大会折断。无独有偶，许多合成纤维也由于大量氢键的形成，从而增大了它们的机械强度。例如锦纶﹣6做的一根拇指粗细的绳子，足以吊起一辆四吨载重汽车而不会断裂，锦纶﹣1010做的机器零件，可以部分代替金属制品，等等。

图片说明:DNA 双螺旋结构模型， A 、 T 、G 、 C 碱基间虚线表示氢键

生物所特有的生长和繁殖机能以及遗传与变异的特征，都是由核蛋白的性质所决定的。核蛋白的组成中都含有核酸，它是生物用以制造蛋白质的模板。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，而且这些氢键对核酸的生物功能具有重要作用。1953年，美国生物学家瓦特森和英国生物物理学家克里克提出的脱氧核糖核酸分子（缩写为 DNA )的双螺旋结构模型如图所示，即 DNA 分子是由两条相互缠绕成螺旋构型的链所组成，这两条链之间有许多氢键，这些氢键把两条螺旋线中的对应碱基按一定的顺序连结起来，才使 DNA 具有了复制自身分子和合成 RNA （核糖核酸）分子的功能，而且使 DNA 有了“生命的双螺旋线”这个雅称。

文章来源:《数理化生园地》6（1984/2）

知识博览栏目

标题:氢键趣谈

作者:解守宗

上海科学技术出版社出版。