氫鍵是一種分子間的作用力，它比範德華力強得多，但比共價鍵、離子鍵等化學鍵要弱。氫鍵可用虛線表示，如 X—H···Y ，其中 X 和 Y 是電負性大、半徑較小的原子(如 F 、O、 N 等)，“—”表示共價鍵，“…”表示氫鍵。由于氫鍵的存在，很多物質便具有了一些重要性質。

人們愛把水譽為“生命的搖籃”，這是因為水孕育了生命，撫養了生命，不僅如此，水還象慈母一樣保護了生命。試想，假如我們這個星球上沒有廣闊的水域，那麼，白天熾熱的陽光将把地球烤得焦燙，夜晚嚴寒将使地球凍得開裂，在這晝夜溫差懸殊的環境中，生命是難以生存、演化的，因此地球也将是一個死寂的世界。幸虧事實并非如此，因為水沒有抛棄她的兒女。白天，浩翰的水把巨大的太陽能貯藏在懷抱裡，夜晚再慢慢地把熱量釋放出來，這就使氣溫不太高，也不很低，适宜生命的生存、演化。

那麼，為什麼水有如此之大的“能耐”呢？這是因為水分子間存在氫鍵，要使水分子的熱運動加劇，就必須耗費較大的能量來克服氫鍵的作用。實驗測出，要使1克水溫度升高1℃，需要吸收1卡熱量；同樣，1克水溫度下降1℃，就會放出1卡的熱量。可見，氫鍵的存在使水具有了較大的比熱，從而使水能擔負起調和地球晝夜溫差的責任。從這個意義上來說，氫鍵是生命搖籃的基石，恐怕一點也不過分吧。

嚴冬來臨，河川湖泊披上了皚皚冰甲。水面上的植物早已枯萎凋殘，然而冰層下面的魚兒蝦兒卻安然無恙。當然，魚蝦們并不知道，它們此時之所以能悠閑自樂，也是仰仗于氫鍵的作用呢！當寒潮襲來，氣溫低于攝氏零度時，水開始結冰。冰的晶體結構如圖所示，水分子裡的每一個氧原子位于一個正四面體的中心，它以極性共價鍵與兩個氫原子相連，同時又通過氫鍵與另外兩個氫原子（分屬于另外兩個水分子）相連，這使冰晶體中存在着大量的“孔穴”，因此，冰的體積比同質量水的體積大，而密度比水的小(冰的密度為0.88~0.92克／厘米³)。這樣，冰層就浮在水面上，成為抵禦嚴寒進一步襲擊的天然屏障。在厚厚的冰層的庇護下，冰下的水溫下降緩慢。當降到4℃時，水分子基本上都是雙聚分子（H₂O)₂，在這個時候，水的密度最大（1克／厘米³），就沉入河底。所以氣溫再低，河底的水也不會結冰，使魚蝦們得以保住生命。

冰的晶體結構

十七世紀時，人們已會制造硫酸。此後，又用硫酸與一些礦物反應，制造出另一些重要的酸，如用硫酸和食鹽共熱制得鹽酸，與硝酸鈉共熱蒸餾出硝酸，與螢石（CaF₂）共熱制得氫氟酸。因此硫酸曾被尊奉為“衆酸之母”。上述反應都是用高沸點的強酸（硫酸）來制取低沸點的酸（鹽酸、硝酸、氫氟酸等）的。為什麼硫酸具有高沸點這一性質呢？原來硫酸分子的空間構型是四面體形（如圖所示），硫原子位于四面體的中心，氧原子位于四面體的四個頂點，其中兩個氧原子再分别和兩個氫原子成鍵，而氫原子又可以通過氫鍵和另一個硫酸分子中的氧原子連結起來，使硫酸分子間發生一定程度的締合，所以它的沸點很高。可見，“衆酸之母”的奧秘也跟氫鍵密切相關呢！

純堿是碳酸鈉的俗名，又稱蘇打，廣泛用于紡織、制皂、造紙、玻璃等工業。純堿的工業制法有我國傑出的化學家侯德榜先生創造的“侯氏制堿法”，還有比利時工程師索爾維發明的“氨堿法”。侯氏制堿法比氨堿法更合理，具有原料利用率高、生産成本低的優越性。但是，兩者又有相同的地方，即都是先制得碳酸氫鈉（俗稱小蘇打），然後再将它焙燒，制得碳酸鈉。為什麼要這樣呢？因為小蘇打的溶解度比純堿小得多（20℃時，前者為9.6克，而後者為21.5克），它很容易從飽和溶液中結晶析出而與溶液分離。

為什麼小蘇打比純堿溶解度要小呢？這又是氫鍵的作用。

小扁擔能挑起重物，“曲而不折”，究其原因，還是氫鍵幫了大忙。因為木材的主要成分是纖維素，它的結構中存在不少葡萄糖羟基，這些羟基間會形成為數衆多的氫鍵，使一根根纖維素長鍊盤繞糾纏在一起，而且長鍊之間彼此又通過氫鍵結合起來，形成了類似網狀的體型結構。由于木材中的氫鍵是順着木材的紋理取向的，所以把木材順紋理劈開比較容易，而要把它折斷（即橫斷紋理），就要費很大的勁。所以木扁擔從橫向上看很堅韌，即使彎曲也不大會折斷。無獨有偶，許多合成纖維也由于大量氫鍵的形成，從而增大了它們的機械強度。例如錦綸﹣6做的一根拇指粗細的繩子，足以吊起一輛四噸載重汽車而不會斷裂，錦綸﹣1010做的機器零件，可以部分代替金屬制品，等等。

圖片說明:DNA 雙螺旋結構模型， A 、 T 、G 、 C 堿基間虛線表示氫鍵

生物所特有的生長和繁殖機能以及遺傳與變異的特征，都是由核蛋白的性質所決定的。核蛋白的組成中都含有核酸，它是生物用以制造蛋白質的模闆。沒有核酸就沒有蛋白質，所以核酸是生命的物質基礎。核酸結構中也存在氫鍵，而且這些氫鍵對核酸的生物功能具有重要作用。1953年，美國生物學家瓦特森和英國生物物理學家克裡克提出的脫氧核糖核酸分子（縮寫為 DNA )的雙螺旋結構模型如圖所示，即 DNA 分子是由兩條相互纏繞成螺旋構型的鍊所組成，這兩條鍊之間有許多氫鍵，這些氫鍵把兩條螺旋線中的對應堿基按一定的順序連結起來，才使 DNA 具有了複制自身分子和合成 RNA （核糖核酸）分子的功能，而且使 DNA 有了“生命的雙螺旋線”這個雅稱。

文章來源:《數理化生園地》6（1984/2）

知識博覽欄目

标題:氫鍵趣談

作者:解守宗

上海科學技術出版社出版。

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