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为什么会形成氢键?氢键的工作原理

氢键发生在氢原子和电负原子(如氧、氟、氯)之间。这种键比离子键或共价键弱,但比范德华力(5-30kJ/mol)强。氢键是一种弱化学键。



为什么形成氢键

产生氢键的原因是氢原子和带负电荷的原子之间电子不均匀地共用。一个键中的氢仍然只有一个电子,而一个稳定的电子对需要两个电子。结果是氢原子带着弱的正电荷,所以它仍然被带负电荷的原子所吸引。因此,非极性共价键分子中不存在氢键。任何具有极性共价键的化合物都有可能形成氢键。



氢键示例

氢键可以在一个分子内或不同分子中的原子之间形成。虽然氢键不需要有机分子,但这种现象在生物系统中非常重要。氢键的例子包括:


两个水分子之间

把两条DNA链连在一起形成一个双螺旋

增强聚合物(例如,有助于使尼龙结晶的重复单元)

在蛋白质中形成二级结构,如α-螺旋和β-折叠片

在织物中的纤维之间,这会导致褶皱的形成。

抗原和抗体之间

在酶和底物之间

转录因子与DNA的结合


氢键和水

氢键是水的一些重要性质。尽管氢键的强度只有共价键的5%,但它足以稳定水分子。


氢键使水在很宽的温度范围内保持液态。

因为打破氢键需要额外的能量,水的汽化热异常高。水的沸点比其他氢化物高得多。

水分子间氢键的作用有许多重要的后果:


氢键使冰的密度低于液态水,所以冰漂浮在水上。

氢键对汽化热的影响有助于使出汗成为动物降温的有效手段。

对热容量的影响意味着水可以防止大体积水或潮湿环境附近的极端温度变化。水有助于在全球范围内调节温度。

氢键强度

氢键在氢原子和高电负性原子之间最为重要。化学键的长度取决于其强度、压力和温度。键的角度取决于参与键的特定化学物质。氢键的强度从非常弱(1–2 kJ mol−1)到非常强(161.5 kJ mol−1)。蒸汽中的一些示例焓为:

F−H…:F (161.5 kJ/mol or 38.6 kcal/mol)
O−H…:N (29 kJ/mol or 6.9 kcal/mol)
O−H…:O (21 kJ/mol or 5.0 kcal/mol)
N−H…:N (13 kJ/mol or 3.1 kcal/mol)
N−H…:O (8 kJ/mol or 1.9 kcal/mol)
HO−H…:OH3+ (18 kJ/mol or 4.3 kcal/mol)

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