为何冬天湖底不结冰--认识氢键

水梦家园

　　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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