从水的特殊物理性质

------- 漫谈氢键

研究表明，水与玻璃的作用是通过水的氢键与表面的羟基之间来发生的 . 最近，中科院物理所王恩哥小组在这项研究中取得了重要突破。他们在近几年对水的系列研究工作基础上，首次证明存在一种稳定的二维冰相。它是由四角形和八角形的氢键网格交替组成的，与一种特殊形式铺成的地板图案极其相似。这是人类首次发现一种化学键构形上完全不同于已知体态冰的新的二维冰结构。专家认为，这项成果不但丰富了人们对冰的认识，而且为人们深入探索水与表面的相互作用规律和解释相关的物理性质开辟了新的途径。

水的物理性质 : 纯净的水是无色、无味的透明液体。在1.0×105Pa下，水的凝固点 ( 熔点 ) 为0.00℃ ，沸点为 100.00℃ 。水的密度比较特殊。在 0℃ ～ 4℃ 之间随着温度的升高密度不是减小而是增大， 0℃ 时为 0.999841g／ cm3 ，到 4℃ 时达到最大值为 1.000000g／cm3 ， 4℃ 以后和一般物质一样随温度升高而逐渐减小 (20℃ 为 0.998203g／ cm3,100℃时为 0.958354g／ cm3 。水结冰体积膨胀

0-50

-100

-150

-200

-250

50

100

150

200

250

100 300200 400

温度 /℃

相对分子质量×

×

×

500

×

×

×

×

CF4

CCl4

CBr4

CF4

CCl4

CBr4

CI4

沸点 熔点

四卤化碳的熔沸点与相对原子质量的关系

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

50

75

100

2 3 4 5×

×

×

×

CH4

SiH4

GeH4

SnH4

NH3

PH3

AsH3

SbH3

HF

HClHBr

HI

H2O

H2SH2Se

H2Te

沸点 /℃

周期一些氢化物的沸点

　　非金属元素的氢化物在固态时是分子晶体，其熔沸点和其分子量有关．对于同一主族非金属元素而言，从上到下，分子量逐渐增大，熔沸点应逐渐升高．而HF 、 H2O 、 NH3 却出现反常，为什么？

　　说明在 HF 、 H2O 、 NH3 分子间还存在除分子间作力之外的其他作用．这种作用就是氢键．

二　氢键

　　水分子中Ｏ－Ｈ键是极性共价键，氧原子与氢原子共用的电子对强烈的偏向氧原子，使氢原子几乎成了“裸露”的质子．这样，一个水分子中相对显正电性的氢原子就能和另一个水分子相对带负电性的氧原子上的孤电子对接近并产生相互作用，这种相互作用叫做氢键．　　　　　　　　　　

１ . 定义：当氢原子与电负性大的 X 原子以共价键结合时，它们之间的共用电子对强烈地偏向 X ，使 H 几乎成为“裸露”的质子，这样相对显正电性的 H 与另一分子相对显负电性的 X 中的孤对电子接近并产生相互作用，这种相互作用称氢键。 。

２ . 表示：氢键可以用 A—H…B 表示。 A 和 B可以是同种原子，也可以是不同种原子，但都是电负性较大、半径极小的非金属原子（一般就是Ｎ、Ｏ、Ｆ）。表示式中的实线表示共价键，虚线表示氢键。

３ . 氢键的键能一般小于 40kJ/mol ，比共价键的键能小得多，比较接近分子间作用力，比范德华力大．因此氢键不属于化学键，而属于一般分子间作用力范畴。

４ . 氢键的分类

(1) 分子间氢键

(2) 分子内氢键

5. 氢键对物质熔沸点的影响：

分子间氢键使物质熔沸点升高

分子内氢键使物质熔沸点降低

讨论：尿素、醋酸、硝酸是相对分子质量相近的三种分子，但这三种物质的熔点和沸点相差比较大．尿素常温下是固体，熔点在 200℃以上；醋酸的熔点为 16.6℃，在温度低于16.6℃时即凝结成冰状的固体；常温下硝酸是一种具有挥发性的液体．试根据上述三种物质熔、沸点差异较大的事实，分析它们可能含有的氢键，画出示意图．

6. 氢键还影响物质的溶解性

NH3 为什么极易溶于水？

NH3溶于水是形成 N-H… Ｏ还是形成 O-H…N?

●●●

正是这样， NH3溶于水溶液呈碱性

相似相溶──水和甲醇的相互溶解（深蓝色虚线为氢键）

讨论水的特殊性：

(1) 水的熔沸点比较高？

(2) 为什么水结冰后体积膨胀？

(3) 为什么水在 4℃时密度最大？

液态水中的氢键

　　在水蒸气中水以单个的 H20 分子形式存在；在液态水中，经常是几个水分子通过氢键结合起来，形成（ H20 ） n(如上图）；在固态水（冰）中，水分子大范围地以氢键互相联结，形成相当疏松的晶体，从而在结构中有许多空隙，造成体积膨胀，密度减小，因此冰能浮在水面上．

随温度升高，同时发生两种相反的过程：一是冰晶结构小集体受热不断崩溃，缔合分子减少；另一是水分子间距因热运动不断增大． 0 ～ 4℃间，前者占优势， 4℃以上，后者占优势， 4℃时，两者互不相让，招致水的密度最大．

生命活动中的氢键

二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的结构的构象，是多肽链局部的空间结构（构象），主要有 α －螺旋、 β －折叠、 β －转角等几种形式，它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。 蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整

变性作用是蛋白质受物理或化学因素 的影响，改变其分子内部结构和性质的作 用。一般认为蛋白质的二级结构和三级结 构有了改变或遭到破坏，都是变性的结果。 强酸、强碱使蛋白质变性，是因为强酸、 强碱可以使蛋白质中的氢键断裂。

我们在学习化学的过程中还有什么地方能用氢键的知识来解释的？

(1)醇比含有相同碳原子的烃熔沸点高

(2)低级醇易溶于水

(3)含有相同Ｃ原子数的醚为什么熔沸点低于醇

(4) 为什么醚也可以溶于水

(5)HF酸是弱酸

…………

　　水孕育生命，水养育人类。人体内水的重量约占70%。人们平常喝的天然水是由许多水分子缔合成的簇团，参与体内生物化学作用差。人体动脉内的脂质沉积随着年龄增长逐渐增多，血流阻力增大，同时动脉管腔变窄，血流量减少。中老年人可能患动脉粥样硬化症、高脂血症和高血压症，有的人还伴发血粘度高、血糖高、血尿酸高，产生微循环障碍，这些病变，形成心脑血管病、糖尿病等，促使人体器官功能提前衰减，缩短了人应享的自然寿命。只有认识水的结构及其变化，了解有关的医学研究成果，才能领悟喝天然水是产生上述老年病的重要原因，并企盼饮用小分子水，以祛疾养生，益寿延年。

拓展视野：

昆虫靠漩涡在水上行走

水中的氢键很脆弱 , 破坏的快 , 形成的也快 .总的结果是水分子总是以不稳定的氢键连在一片 . 水的这一特性使水有了较强的内聚力和表面能力 . 由于具有较高的表面能力 , 所以昆虫能在水面上行走 . 当然也和昆虫本身所具有的结构有关系 .

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