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为何冬天湖底不结冰——认识氢键

2019-12-13 09:52

来源:北京新东方中小学全科教育一对一部高中化学组

作者:王仕作

  一、什么是氢键

  氢键这个术语不能望文生义地误解为氢原子形成的化学键。氢键不是化学键,是一种分子间作用力(另一种是范德华力)。一个氢原子已经与一个原子形成共价键,然后这个氢原子与另一个原子之间形成的分子间作用力,就是氢键。

  通常来说,当一个氢原子连着一个电负性(吸电子能力)很强的原子,此时氢原子会有较强的正电性。当附近有另一个电负性也很强的原子时,就会对氢原子产生吸引力,该吸引力便是氢键。所以这就对氢原子两边的原子必须是强电负性,通常来说就是F,O,N。于是传统意义上的氢键只能是图中的9种可能。(虚线表示氢键)

  氢键的方向性和饱和性是目前有争议的话题,有人从冰的结构推断出氢键具有方向性和饱和性,也有人从水的结构判断出氢键没有方向性和饱和性。我们作为学习者,遇到这类问题不要站队伍,可以在解决不同问题时选择不同模型。

  二、氢键对物质熔、沸点的影响

  水的熔、沸点远高于同主族元素氢化物(比如H2S),就是因为水分子具有分子间氢键,使水分子之间有较强作用力,不易分开。

  有的物质还会形成分子内氢键。例如对羟基苯甲醛的熔点远高于邻羟基苯甲醛。

  三、氢键对物质溶解性的影响

  NH3、铵盐,乙醇都是易溶于水的物质,正是因为它们能与水分子形成分子间氢键。比如NH4Cl,可以理解成水分子依靠与NH4+形成氢键,帮助拽走NH4+,更容易破坏NH4Cl的离子键,从而溶解。

  四、水的密度为何是4℃时最大?

  解决这个问题,我们要先看冰的结构。我们知道,冰的密度小于水,这是由于冰的晶体结构中,由于氢键的存在导致的。由于水分子中,氧原子有两对孤对电子,每对孤对电子吸引着另一分子水的一个氢原子;此外,该水分子的两个氢原子,每一个又被其他水分子的氧原子孤对电子吸引。所以每个水分子与周围4个水分子形成分子间氢键。这个叫做氢键的方向性和饱和性。

  固体之中,粒子之间如果采取最密堆积,那么一个粒子周围最多可以有12个粒子。而冰的结构中,一个水分子只有4个水分子,导致了冰的密度比水低,这是由冰里水分子之间氢键的方向性和饱和性导致的。当冰受热融化成水,这种冰的结构并没有完全被破坏。此时继续升高温度,有两个方向的结果:1,破坏冰的氢键结构,使水分子周围可以有更多水分子,密度增大;2,热膨胀,分子间距离增大,体积增大,密度减小。这两个结果在不同时候有不同的优先级。0~4℃时,第一点为主;4~100℃时,第二点为主。所以4℃的水密度最大。

  水的这一特殊性,对于生命的意义很大。在冬天,湖水河水表面会结冰。冰水交界处是0℃,而1℃的水由于密度更大,所以在水面以下,不容易被降温。同理,越往深处,水温越高,逐渐变成2℃,3℃,4℃。但是由于4℃的水密度最大,所以再往深处,水温始终是4℃了。于是,在冬天,只要水生生物能在4℃存活,就不会被冻死。

  五、芳纶纤维——防弹衣的材料

  图中是一种聚酰胺的结构片段,俗名为芳纶纤维。从图中该结构看出,左右方向有共价键相连接,不易拉伸破坏;上下方向有分子间氢键相连接,也不易拉伸。所以该材料在二维上有很高的强度(不易发生弹性形变)。事实上,芳纶纤维的强度是钢的5倍,而密度只有钢的1/5,是材料界的革命。就连子弹,也无法穿透多层芳纶纤维,所以广泛用作防弹衣。

  可是仔细观察发现,大部分防弹衣只用作防弹背心,而没有保护四肢。这也是由于芳纶纤维的高强度,如果四肢也用防弹材料保护,那么行动会非常不便利。战场上,行动不便利的士兵是更容易受伤的,除非是拆弹部队才会全身防护!那么为什么不做头盔呢?这是因为,即便做成防弹头盔,挡住了子弹,但人的颈椎却受不了来自子弹的冲量,也会致命。所以防弹头盔并不能真的防弹,只能抵挡炮弹落地后,扬起其他物体的二次伤害。

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