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主要内容

水中的氢键

水分子的结构以及它们如何相互作用以形成氢键。

水的属性

从某些度上看,你就是一个会说话,会使用工具,也会学习的一袋子水。这个比喻可能不完全恰当,但是人的身体里水占了60%-70%。不止是人类,大部分动物或细小的细菌内部都包含大量的水1。我们知道水是生命之源。这听起来很夸张,但这的确是事实,并且正是这个事实让生命变得多姿多彩。几乎所有细胞内的化学反应和新陈代谢都发生在细胞中水基的粘液中,它被称为胞质溶胶。
水不仅仅只是构成各种生物体,它的很多化学特性能够为生命提供强有力的支持。从细胞到生物体,到整个生态系统,水的这些特性在这些不同层次的环境中都非常重要。在下面这些文章中你可以学到水的这些可以维持生命的化学特性。
水的这些独特的主要因为其分子的极性, 也就是说它们彼此之间和与其他分子之间能形成氢键的。下面,我们将看看这种氢键是如何作用的。

水分子的极性

水分子的结构是理解水的化学特性的关键。一个水分子是由两个氢原子和一个氧原子组成,形成一个弯曲的结构。这是因为氧原子除了与氢原子形成键,还带有两对不共享的电子。这些电子对——共享的或不共享的——都会相互排斥。
最稳定的机构是让他们相互远离:在一个四面体的结构里,两个 OH 键是四条“腿”中的两条,氢原子各占一个顶点。水分子中未成键的孤对电子比键电子的排斥力更强,所以两个 OH 键之间的角度要稍微小于正四面体中的109°,约为104.5°。2
因为氧比氢具有更强的电负性——有很强的吸附电子的能力——所以O原子可以从H原子那里夺得电子。因此在水分子中,氧原子这边有部分的负电荷,而氢原子那边则有部分的正电荷。水被划分为极性分子因为他不均匀的电极和弯曲的结构2,3

水分子的氢键

由于它们的极性,水分子很容易相互吸引。一个水分子的正电荷端(一个氢原子)与另一个分子的负电荷端(氧原子)相互作用。
这些例子是 氢键 的一个例子。氢键是具有部分正电荷的氢和一个电负性更强的原子 (如氧原子) 之间形成的弱相互作用。 涉及氢键的氢原子必须与电负的原子才能相互作用, 如 O, N, 或 F
水分子相互之间形成氢键。一个分子上O上的部分负电荷可以与其他分子的氢上的部分正电荷形成氢键。
水分子也被其他极性分子和离子吸引。一个带电或带有极性,并溶于水的物质被称为亲水的(hydrophilic):hydro 代表“水”, philic 代表 “喜欢”。相反的,如油脂这样的非极性分子不与水相互作用。他们并不溶解于水,而是会和水分离,所以被称为疏水的(hydrophobic): phobic 代表 “害怕”。你也许再吃沙拉的时候注意到过这个不太顺手的现象:油和醋不会融合在一起。醋其实就是是水和少量酸。

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