【元素家族——连载6】冰为什么比水轻?

【元素家族——连载6】冰为什么比水轻?


上一节我们提到水结成冰以后,冰浮在水上,这说明水的固体比液体要轻,这实在是一个特例。这是因为水分子之间存在“氢键”。


【冰晶体的空间网状结构,通过“氢键”结合成了类似钻石的结构。】


“氢键”究竟是什么玩意呢?竟然如此奇妙?

我们知道水分子由一个氧原子和两个氢原子通过共价键结合在一起。氧原子大,电负性强,而氢原子小,在共价键这场拔河比赛中,弱小一方的氢原子的电子云就不可避免的被“拖”向氧原子,表现为氧原子稍带负电,而氢原子稍带正电,简直像一个“电子云衣服”脱了一半的“半裸”质子。这个带正电的“半裸”质子特别容易被另一个水分子里的带负电氧原子里的孤对电子吸引,形成较强的分子间作用力,这就是“氢键”!


【水分子里,大哥氧原子拼命的拖拽氢原子的电子云。】


氢键当然不止存在于水中,只要有电负性稍强的、带孤对电子的元素,如氮、氧、氟、氯等,跟氢形成极性键,容易将氢的电子云拖过去,就可以形成氢键。比如氢氟酸、氨水、盐酸里,甚至更复杂的有机分子里,都存在着氢键。

【氨水中也存在氢键,因此氨在水中的溶解度超级大。】


由于水中存在这么多分子间的“氢键”,所以水的宏观表现和其他很多物质明显反常。比如水比硫化氢的沸点高,那是因为水中有很多的氢键,分子间作用力强,而硫化氢就没这么多牵绊,早早的沸腾了。

同理,氨的沸点高于磷化氢,氟化氢的沸点高于氯化氢,也是氢键的贡献。

【水的沸点在100度,有氢键的贡献。】


水是液体的时候,流动性较好,好比热闹的舞场,两个水分子相遇,相拥成键了,划过一段短暂的舞步,然后迅速离开,寻找新的舞伴。而结冰以后,在冰雪严寒之下,水分子们冷静了不少,回到了自己的座位,相邻水分子之间都有氢键生成,形成正四面体结构。这种四面体结构对空间的利用率较低,只有34%,因此冰比水疏松,密度只有水的0.9倍。这才能让我们看到冰浮于水上的反常现象,而其他大多数物质的固态都比液态比重大,会敦实的沉于液体之下。

【冰在水中产生的浮力归根到底来自氢键。】


冰比水轻只是“氢键”的魔力的一个很小的表现,“氢键”在各个方面都影响了很多物质的物理化学性质。甚至影响到DNA的形成,DNA之所以可以以双螺旋结构稳定存在,其中就是依赖于氢键而存在。

【DNA的双螺旋结构,之所以能稳定,是由于碱基之间存在氢键。】


类似的情况还出现在蛋白质的结构里。

蛋白质的二级结构有α折叠、β折叠。α折叠是螺旋结构,螺旋层与层之间的氨基酸之间存在氢键。β折叠是平面结构,平面内任意两排氨基酸之间存在氢键,紧密结合。如果没有氢键的存在,蛋白质就没有那么紧致,而是松松垮垮,根本无法充当生命的骨架。

【蛋白质依靠分子内氢键形成α螺旋二级结构,并将自身折叠起来。】


羊毛就是一种蛋白纤维,弹性好,保暖,因此人们非常喜爱用它来做成衣服。它的主要成分为角蛋白,由多种α-氨基酸构成,分子间形成氢键。当我们拉伸羊毛的时候,会感觉到一股张力让羊毛回缩,这就是氢键的力。

羊毛衫不能用温度高的水来洗,因为这样容易使蛋白纤维里的氢键断裂,羊毛的韧性、弹性就永久性的丧失了,羊毛衫看起来就会失去形状,松松垮垮了。

【各种颜色的羊毛,织物的理想材料。】


2013年,中科院国家纳米科学中心“拍摄”到了“氢键的照片”,证明了“氢键”绝非科学家脑里幻想出来的,而是真实存在的科学事实。

【“氢键”的照片,其中黄色为重点标志出的“氢键”。很多事物都是首先存在于科学家的理念之中,在普通人看起来,他们的一些想法和疯子没什么两样。但是只要坚持理性分析、推理,最终一定会被事实证明。】


小测试:

1, 下面哪种物质中没有氢键的存在?

A) 水

B) 氨

C) 氧气

D) 氟化氢

2, 下面哪些物质中存在氢键?(多选)

A) DNA

B) 蛋白质

C) 羊毛

D) 冰

3, 我们常说冰山一角,那么冰山一角是整个冰山的百分之多少?

A)10%

B)20%

C)30%

D)50%

编辑于 2017-11-26

文章被以下专栏收录

    我准备从1号元素氢开始,一个一个元素写下去,我将尽可能写的贴近生活,让大家容易看懂,而又天马行空,让大家和我一起思考。我给自己定的目标是写到26号元素铁,但是如果只写到8号元素氧就写不下去了,也请大家理解我,并对我提出宝贵的质疑和建议,毕竟我的能力有限;当然,如果我能打上无尽鸡血写到79号元素金,那一定是因为我对于金钱的狂想;如果我能最终写到92号元素铀,那一定是由于大家给我的支持。