CB07 以水的结构为例说明氢键

目标:举一个氢键起有重要作用的具体例子。

就氢键的强度而言，它介于“强”的化学键和“弱”的范德华作用之间(见图 CB13)。在水中，可以不破坏分子的基本结构，就可以使氢键断裂，从而产生大量动态的分子聚集体。

氢键在一些生物、物理和化学过程中起着很重要的作用。它们对于一些重要的生物大分子如蛋白质的空间结构来说是十分重要的。在 DNA 双螺旋结构中，氢键构成了连接一个聚合物骨架上的嘌呤碱和另一 个聚合物骨架上的嘧啶碱的桥梁。

  由于相互作用能相对较低，因此两个聚合物骨架之间的氢键很容易断裂，形成两个独立的聚合物骨架，并由此生成两条新的双螺旋结构。如同在生物大分子部分解释过的那样，这个过程在分子复制中是很关键的。

氢键在很大程度上决定了水/冰的性质。在插图的左侧，显示了冰的三维结构。晶格中包含了六边形结构，是由水分子通过氢键相连构成的。在四面体结构中，每个水分子有四个邻近分子。通过这种方式， 冰形成了一个低密度的开放结构。

当加热时(到4°C)，氢键部分断裂，形成较紧密的结构。进一步加热后，水分子的热动性增加，而密度进一步减小。水的这种依赖于温度的密度变化，对于冬天生活在水底的生命是很重要的。

插图的右侧比较了在一个给定的时刻冰的结构和水的结构(计算机模拟)。为了便于说明，冰的六边 形格子由浅绿色虚线表示。蓝色虚线表示氢键。点之间的距离越短，氢键键长越短。氧原子的颜色表示它 偏离平面的程度。白色原子表示在平面内，而黑棕色原子位于平面前方0.7~1.0 nm处。浅粉色原子在中间的位置;颜色越深，原子距平面越远。