成鍵與內聚
氫鍵
/ HY-druh-jen bond /
設想一個微小的氫原子,它已經把自己僅有的一個電子大半借給了像氧這樣貪婪的近鄰。被剝去電子後,氫只剩下一個裸露在外的帶正電的原子核探了出來,這個暴露的正電點便伸過去,去蹭附近一個帶有富餘負電荷的原子。氫鍵就是這樣一個不大不小的紐帶:一個共享的氫,橋接兩個強烈拉拽電子的原子,通常是氧、氮或氟。
它之所以成立,是因為氫很特別——它只有一個電子,所以當這個電子被拉走時,它的原子核幾乎全裸、異乎尋常地暴露在外。這個小小的帶正電的氫,便坐在它自己的原子與近鄰的一對孤對電子之間,被兩邊同時吸引。其結果比轉瞬即逝的凡得瓦牽引強,卻比真正的共享電子鍵弱得多,而且沿著一個確定的方向排列,所以它能像一種柔韌卻有選擇性的扣件那樣起作用。
氫鍵就其微小而言意義極大:它把水分子維繫在一起,賦予水很高的沸點,以及冰會浮起來這一奇怪現象;它把DNA的兩條鏈拉成雙螺旋,又把蛋白質折疊成能工作的形狀。常見的混淆是把它們與普通化學鍵混為一談;它們要弱得多,在日常溫度下就容易形成又容易斷開,而這恰恰使它們對生命中不斷重排的分子如此有用。
液態水裡滿是氫鍵:一個分子上的氫伸過去,連到近鄰分子的氧上。當水結冰時,這些鍵把分子鎖進一個疏鬆、寬敞的晶體,佔的空間比液態水還大——這正是冰密度更小、能浮起來的原因,幾乎沒有別的物質有這一怪癖。
氫鍵把水分子撐成疏鬆的晶格,所以冰會浮起來。
氫鍵並不是把氫與水分子內部自己的氧拴在一起的那根鍵——分子內部那根是強勁的共價鍵。氫鍵是伸向另一個、相鄰分子的那條較弱的紐帶。
另見