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不对称的分子:偶极、氢键,与水的魔法

水分子那么小,沸点为什么却高得出奇?冰为什么会浮起来?来认识永久偶极,以及那种格外强劲、名叫「氢键」的吸引力——正是它让水变得奇特,也让生命成为可能。

当一个分子天生「偏心」

有些分子不仅仅是闪那么一下,而是永久地偏心。原因在于:不同原子拉拽共用电子的力气不一样——这种性质叫做电负性。当两个不同的原子成键时,更「贪」的那个会把共用电子往自己这边拉,于是带上一点负电,而另一个则留着一点正电。这条键便有了天生的偏向:一个键的极性

如果整个分子里那些极性键并不互相抵消,分子本身就会有一个正端和一个负端。我们用偶极矩来衡量这种整体的偏向:偶极矩越大,分子越偏心。水的偶极矩很大;二氧化碳尽管它的键是极性的,却又直又对称,于是那些偏向相互抵消了——它的偶极矩为零。

偶极吸引偶极

一旦分子有了永久的正端和负端,它们就会以一种显而易见的方式排起来:一个分子的正端依偎在邻居的负端旁边,就像一根根小磁棒「啪」地咬合成一行行。这就是偶极-偶极相互作用,范德华家族的第二位成员。因为这些偶极是永久的——不像色散力那样转瞬即逝——所以这种吸引更稳定,对于大小相近的分子来说,通常也更强。

于是,一个极性分子会同时感受到色散力(这个人人都有)叠加在上面的偶极-偶极作用。这就是为什么,在大小相近的两个分子里,更极性的那个通常沸点更高——它有更多的胶水把自己粘在一起。这恰好延续了上一篇关于沸点的故事:色散力定下基准线,永久偶极再往上添。

格外强劲的那一种:氢键

偶极-偶极吸引里,有一种特别强、强到要单独取个名字的版本:氢键。它发生在一个很精确的情形下——当一个氢原子连在三种特别「贪电子」的原子之一(氮、氧或氟)上,而附近又有一个分子,带着这三种贪婪原子之一、并有一对孤对电子可以「献出来」。

为什么这么强?氢是最小的原子,只有一个电子。当那个电子被贪婪的邻居拉走,剩下的就是裸露的氢原子核——一个赤裸的质子——几乎没有任何东西替它遮挡。这一小块强烈的正电荷,能紧紧抓住邻近的一对孤对电子。氢键比普通的偶极-偶极拉力强好几倍,不过仍然远比共价键弱。

水为什么如此奇特

水是氢键当之无愧的冠军。每个小小的水分子最多能形成四个氢键——两个通过它的氢,两个通过氧上的孤对电子——把整片液体编织成一张不断变换的三维网。光是这一点,就解释了水一长串的怪脾气,从它的沸点说起。大小相近的分子,比如甲烷,在远低于冰点时就是气体;而被氢键编织起来的水,却能一路维系到100℃。

氢键还解释了为什么冰会浮起来——这是一个真正罕见、又救命的怪癖。当水结冰时,它的分子锁进一个开阔、宽敞的笼状结构,让彼此之间比在拥挤的液体里还要稍微远一点。于是冰比水的密度小,浮在水面上,湖泊从表面往下结冰,而不是从头冻到底——让鱼能在冰层下面熬过冬天。

同样的氢键,把DNA的两条链拴在一起,也把蛋白质折叠成它们工作时的形状。它们弱到可以被「拉开拉链」再重新形成,又强到足以守住那个模式——这正是生命所需要的性质。在告别偶极之前,值得提一个更强的亲戚:当一个完整的离子待在偶极旁边,你就得到了离子-偶极相互作用,那股强劲的吸引力让水能把盐拆开,我们会在最后一篇里深入它。