鍵及超分子結構化學ppt課件

1、第十章 次級鍵及超分子構造化學目 錄v10.1價鍵和鍵的強度v10.2氫鍵v10.3非氫鍵型次級鍵v10.4范德華力和范德華半徑v10.5分子的外形和大小v10.6超分子構造化學10.1價鍵和鍵的強度價鍵和鍵的強度v什么是次級鍵什么是次級鍵?v 次級鍵是除共價鍵、離子鍵和金屬次級鍵是除共價鍵、離子鍵和金屬鍵以外，其他各種化學鍵的總稱；鍵以外，其他各種化學鍵的總稱；涉及：涉及： 分子間和分子內基團間的相互作用、分子間和分子內基團間的相互作用、 超分子、各種分子組合體和聚集體的構超分子、各種分子組合體和聚集體的構造和性質、造和性質、 生命物質內部的作用等等。生命物質內部的作用等等。次級鍵是次級鍵是

2、21世紀化學鍵研討的主要課題。世紀化學鍵研討的主要課題。主要內容：主要內容： 經過鍵價實際，利用閱歷規(guī)律，根據由經過鍵價實際，利用閱歷規(guī)律，根據由實驗測定數據，定量地計算各種鍵的鍵價，實驗測定數據，定量地計算各種鍵的鍵價，以了解鍵的性質；以了解鍵的性質； 討論氫鍵、非氫鍵型次級鍵和范德華力；討論氫鍵、非氫鍵型次級鍵和范德華力； 討論和次級鍵親密相關的、有關分子的外討論和次級鍵親密相關的、有關分子的外形和大小以及超分子構造化學。形和大小以及超分子構造化學。v 鍵長是鍵的強弱的一種量鍵長是鍵的強弱的一種量v L.Pauling L.Pauling提出的方程：提出的方程：v dn=d1-60 log

3、ndn=d1-60 logn式中式中 dn - dn - 鍵數小于鍵數小于1 1的分數鍵的鍵長的分數鍵的鍵長v n - n - 鍵數鍵數 d1 - d1 - 同類型的單鍵的鍵長，單位為同類型的單鍵的鍵長，單位為pmpm。v在離域在離域鍵中，鍵級不等于鍵數的情況：鍵中，鍵級不等于鍵數的情況： dndn=d1-71 logn=d1-71 logn式中式中 n n為鍵級。為鍵級。v例如，知例如，知HFHF單鍵鍵長為單鍵鍵長為92pm92pm，在對稱氫鍵正，在對稱氫鍵正FHFHFF中，中，HFHF間的鍵級為間的鍵級為0.50.5，那么鍵長為：，那么鍵長為： dn dn92pm92pm一一(71pm)l

4、og(0.5)(71pm)log(0.5)113pm113pm這和實驗測定的鍵長值完全吻合。這和實驗測定的鍵長值完全吻合。鍵價實際鍵價實際(bond valence theory)： 為了討論鍵長和鍵價的關系，為了討論鍵長和鍵價的關系，IDBrown等根據化學等根據化學鍵的鍵長是鍵的強弱的一種量度的觀念，根據大量積累的鍵的鍵長是鍵的強弱的一種量度的觀念，根據大量積累的鍵長實驗數據，歸納出鍵長和鍵價的關系，提出鍵價實際，鍵長實驗數據，歸納出鍵長和鍵價的關系，提出鍵價實際，它是了解鍵的強弱的一種重要方法。它是了解鍵的強弱的一種重要方法。 鍵價實際以為由特定原子組成的化學鍵：鍵價實際以為由特定原子組

5、成的化學鍵： 鍵長值小、鍵強度高、鍵價數值大；鍵長值小、鍵強度高、鍵價數值大； 鍵長值大，鍵強度低、鍵價數值小鍵長值大，鍵強度低、鍵價數值小鍵價實際的中心內容有兩點：鍵價實際的中心內容有兩點： (1)經過經過i、j兩原子間的鍵長兩原子間的鍵長rij計算這兩原子間的鍵價計算這兩原子間的鍵價Sij： Sij = exp ( R0 - rij ) / B 或或 Sij = ( rij / R0 )- N式中式中R0和和B是和原子種類及價態(tài)有關的閱歷常數。是和原子種類及價態(tài)有關的閱歷常數。計算時留意：由于表達公式不同，兩式的計算時留意：由于表達公式不同，兩式的R0值不同值不同) 。 (2)鍵價和規(guī)那么

6、：鍵價和規(guī)那么： 每個原子所連諸鍵的鍵價之和等于該原子的原子價。每個原子所連諸鍵的鍵價之和等于該原子的原子價。 這一規(guī)那么為鍵價實際的合理性提供了根據，并加深對鍵的這一規(guī)那么為鍵價實際的合理性提供了根據，并加深對鍵的強弱和性質等構造化學內容的了解。強弱和性質等構造化學內容的了解。將鍵價實際運用于計算分子的鍵價或鍵長舉例：將鍵價實際運用于計算分子的鍵價或鍵長舉例：例例1：實驗測定磷酸鹽的：實驗測定磷酸鹽的PO43-基團的基團的PO鍵鍵長值為鍵鍵長值為153.5pm，試計算，試計算PO鍵的鍵價及鍵的鍵價及P原子的鍵價和。原子的鍵價和。解：解： 查表，將有關數據代入公式，得查表，將有關數據代入公式，

7、得 即即PO43-中每個中每個PO鍵的鍵價和為鍵的鍵價和為4 x 1.25=5.00，這和，這和PO43-中中P原子的價態(tài)一致。原子的價態(tài)一致。25. 1222. 0exp375 .1537 .161exppmpmpmS為何每個為何每個PO鍵的鍵價鍵的鍵價1.25 ?例例2：MgO晶體具有晶體具有NaCl型的構造，試根據表的數據，估型的構造，試根據表的數據，估算算MgO間的間隔和間的間隔和Mg2+的離子半徑的離子半徑(按按O2-的離子半徑的離子半徑為為140pm，Mg2+和和O2-的離子半徑之和即為的離子半徑之和即為MgO間的間的間隔計算間隔計算)。解：解： MgO中的鎂是中的鎂是+2價，價，

8、Mg2+周圍有周圍有6個間隔相等的個間隔相等的O2-。按鍵價和規(guī)那么，每個鍵的鍵價。按鍵價和規(guī)那么，每個鍵的鍵價(S)為為260.333。由表查得由表查得R0169.3pm，得：，得：Mg2+的離子半徑為的離子半徑為 210pm - 140pm = 70pm pmrpmrpmpmrpmS21010. 1373 .16910. 1exp333. 0333. 0373 .169exp例例3： 在冰中每個水分子都按四面體方式構成在冰中每個水分子都按四面體方式構成2個個OHO及及2個個OHO氫鍵氫鍵的鍵長經過實驗測定為氫鍵氫鍵的鍵長經過實驗測定為276pm，其中其中OH 96pm，OH 180pm，試

9、求這兩種鍵長值相應的，試求這兩種鍵長值相應的鍵價，以及鍵價，以及O和和H原子周圍的鍵價和。原子周圍的鍵價和。解：解： 按式及表所列數據，可得按式及表所列數據，可得 OH鍵鍵價：鍵鍵價：S(9687)-2.2 0.80 OH鍵鍵價：鍵鍵價：S(18087) -2.2 0.20所以在冰中所以在冰中O原子和原子和H原子周圍鍵價的分布如下：原子周圍鍵價的分布如下： O原子周圍的鍵價和為原子周圍的鍵價和為2，H原子的鍵價和為原子的鍵價和為1，符合鍵價和，符合鍵價和規(guī)那么。規(guī)那么。 OHHHH0.200.200.200.200.800.80 氫鍵表示方式：氫鍵表示方式：XHY XH： 鍵的電子云趨向高電負

10、性的鍵的電子云趨向高電負性的X原子，導致出現原子，導致出現屏蔽小的帶正電性的氫原子核，它劇烈地被另一個高電負屏蔽小的帶正電性的氫原子核，它劇烈地被另一個高電負性的性的Y原子所吸引。原子所吸引。 X，Y通常是通常是F，O，N，C1等原子，以及按雙鍵或三重等原子，以及按雙鍵或三重鍵成鍵的碳原子。例如：鍵成鍵的碳原子。例如： 氫鍵鍵能介于共價鍵和范德華作用能之間。氫鍵鍵能介于共價鍵和范德華作用能之間。C H OC H NC H OC H N氫鍵對物質性質的影響的緣由：氫鍵對物質性質的影響的緣由：1 1構成最多氫鍵原理：由于物質內部趨向于盡能夠多地構成最多氫鍵原理：由于物質內部趨向于盡能夠多地生成氫鍵

11、以降低體系的能量；生成氫鍵以降低體系的能量；2 2由于氫鍵鍵能小，它的構成和破壞所需求的活化能也由于氫鍵鍵能小，它的構成和破壞所需求的活化能也小，加上構成氫鍵的空間條件比較靈敏，在物質內部分子間小，加上構成氫鍵的空間條件比較靈敏，在物質內部分子間和分子內不斷運動變化的條件下，氫鍵仍能不斷地斷裂和構和分子內不斷運動變化的條件下，氫鍵仍能不斷地斷裂和構成，在物質內部堅持一定數量的氫鍵結合。成，在物質內部堅持一定數量的氫鍵結合。 氫鍵的構成對物質的各種物理化學性質都會發(fā)生深化的影氫鍵的構成對物質的各種物理化學性質都會發(fā)生深化的影響，在人類和動植物的生理生化過程中也起非常重要的作用。響，在人類和動植物

12、的生理生化過程中也起非常重要的作用。10.2.1 氫鍵的幾何形狀氫鍵的幾何形狀氫鍵的幾何形狀可用氫鍵的幾何形狀可用R，rl，r2，等參數表示。有等參數表示。有以下特點：以下特點：(1)大多數氫鍵大多數氫鍵XHY是不對稱的。是不對稱的。(2)氫鍵氫鍵XHY可以為直線形，也可為彎曲形?？梢詾橹本€形，也可為彎曲形。(3)X和和Y間的間隔作為氫鍵的鍵長，好像一切其他間的間隔作為氫鍵的鍵長，好像一切其他的化學鍵一樣，鍵長越短，氫鍵越強。當的化學鍵一樣，鍵長越短，氫鍵越強。當XY間間間隔縮短時，間隔縮短時，XH的間隔增長。極端的情況是對的間隔增長。極端的情況是對稱氫鍵，這時稱氫鍵，這時H原子處于原子處于X

13、Y間的中心點，是最強間的中心點，是最強的氫鍵。的氫鍵。 10.210.2氫鍵氫鍵(4)氫鍵鍵長的實驗測定值要比氫鍵鍵長的實驗測定值要比XH共價鍵鍵長加上共價鍵鍵長加上H原原子和子和Y原子的范德華半徑之和要短。原子的范德華半徑之和要短。例如，例如，OHO 276pm，OH 109pm HY 260pm總和總和 369pm XYHr Rr12(5)氫鍵氫鍵XHY和和YR鍵間構成的角度鍵間構成的角度，處于，處于100140間。間。 (6)在通常情況下，氫鍵中在通常情況下，氫鍵中H原子是二配位，但在有些氫鍵原子是二配位，但在有些氫鍵中中H原子是三配位或四配位。原子是三配位或四配位。 (7)在大多數氫鍵

14、中，在大多數氫鍵中， Y上的孤對電子只與一個上的孤對電子只與一個H原子相連，原子相連，但是也有許多例外。在氨晶體中，每個但是也有許多例外。在氨晶體中，每個N原子的孤對電子原子的孤對電子接受分屬其他氨分子的接受分屬其他氨分子的3個個H原子，在尿素晶體中，每個原子，在尿素晶體中，每個O原子同樣地接受原子同樣地接受4個個H原子。原子。 X H YR C C C C C對有機化合物中構成氫鍵的條件，可歸納出假設干要對有機化合物中構成氫鍵的條件，可歸納出假設干要點：點： (1)一切適宜的質子給體和受體都能用于構成氫鍵一切適宜的質子給體和受體都能用于構成氫鍵 (2)假設分子的幾何構型適宜于構成六元環(huán)的分子

15、內假設分子的幾何構型適宜于構成六元環(huán)的分子內氫鍵，那么構成分子內氫鍵的趨勢大于分子間氫鍵。氫鍵，那么構成分子內氫鍵的趨勢大于分子間氫鍵。 (3)在分子內氫鍵構成后，剩余的適宜的質子給體和在分子內氫鍵構成后，剩余的適宜的質子給體和受體相互間會構成分子間氫鍵。受體相互間會構成分子間氫鍵。 1022 氫鍵的強度氫鍵的強度對氫鍵電子本性的研討闡明它涉及共價鍵、離對氫鍵電子本性的研討闡明它涉及共價鍵、離子鍵和范德華作用等廣泛的范圍。非常強的氫子鍵和范德華作用等廣泛的范圍。非常強的氫鍵像共價鍵，非常弱的氫鍵接近范德華作鍵像共價鍵，非常弱的氫鍵接近范德華作用大多數氫鍵處于這兩種極端形狀之間。除用大多數氫鍵處

16、于這兩種極端形狀之間。除了普通的定義外，還利用測定物質性質的方法了普通的定義外，還利用測定物質性質的方法把出現效應的大小和氫鍵的強弱聯絡起來，并把出現效應的大小和氫鍵的強弱聯絡起來，并為強弱氫鍵的區(qū)分提供數據，如表所示。為強弱氫鍵的區(qū)分提供數據，如表所示。 氫鍵強弱的主要判據是氫鍵強弱的主要判據是XY鍵長及鍵能。鍵長及鍵能。對弱氫鍵所給的范圍較大。對弱氫鍵所給的范圍較大。對于鍵能，是指下一解離反響的焓的改動量對于鍵能，是指下一解離反響的焓的改動量H： XHYXH+Y對少數非常強的對稱氫鍵對少數非常強的對稱氫鍵OHO和和FHF，H值超越值超越100 kJmol-1。在。在KHF2中，中，FHF氫

17、鍵的氫鍵的H值到達值到達212kJmo1-1， H原子正處在兩個原子正處在兩個F原子原子的中心點，是迄今察看到的最強氫鍵的中心點，是迄今察看到的最強氫鍵在冰在冰-Ih中，中，OHO氫鍵鍵能為氫鍵鍵能為25kJmol-1，它是以下相互，它是以下相互作用的結果：作用的結果： (1)靜電相互作用：這一作用可由下式表示，它使靜電相互作用：這一作用可由下式表示，它使HO間的間的間隔縮短間隔縮短 (2)離域或共軛效應：離域或共軛效應：H原子和原子和O原子間的價層軌道相互疊加原子間的價層軌道相互疊加所引起，它包括所引起，它包括3個原子。個原子。 (3)電子云的推斥作用：電子云的推斥作用：H原子和原子和O原子

18、的范德華半徑和為原子的范德華半徑和為260pm，在氫鍵中，在氫鍵中HO間的間隔趨于間的間隔趨于180pm之內，這樣將之內，這樣將產生電子產生電子-電子推斥能。電子推斥能。 (4)范德華作用：好像一切分子之間的相互吸引作用，提供能范德華作用：好像一切分子之間的相互吸引作用，提供能量用于成鍵，但它的效應相對較小。量用于成鍵，但它的效應相對較小。 +_(1)靜電能靜電能-33.4(2)離域能離域能-34.1(3)推斥能推斥能+41.2(4)范德華作用能范德華作用能-1.0總能量總能量-27.3能量奉獻方式能量奉獻方式能量能量/(kjmol-1)實驗測定值實驗測定值-25.0有關有關OHO體系的能量：

19、體系的能量：10.2.3 冰和水中的氫鍵冰和水中的氫鍵v 水分子具有彎曲形構造，水分子具有彎曲形構造，v OH OH鍵長鍵長95.72pm95.72pm，HOHHOH鍵角鍵角104.52104.52，v OH OH鍵和孤對電子構成四面體構型的分布；鍵和孤對電子構成四面體構型的分布；v 水是級性分子，分子偶級矩水是級性分子，分子偶級矩=6.17=6.1710-30Cm10-30Cm。v 水在不同的溫度和壓力條件下，可干凈結晶成多種水在不同的溫度和壓力條件下，可干凈結晶成多種構外型式的冰，知冰有構外型式的冰，知冰有1111種晶型。種晶型。v 日常生活中接觸到的雪、霜、自然界的冰和各種商品日常生活中

20、接觸到的雪、霜、自然界的冰和各種商品的冰都是冰的冰都是冰-Ih.-Ih.冰冰-Ih-Ih，是六方晶系晶體，它的晶體構造示，是六方晶系晶體，它的晶體構造示于以下圖于以下圖00時，六方晶胞參數為：時，六方晶胞參數為：a a452.27pm452.27pm，c c736.71pm736.71pm；晶胞中包含；晶胞中包含4 4個個H2OH2O分子，空間群為分子，空間群為D46hD46hP63/mmcP63/mmc；其密度為；其密度為0.9168gcm-30.9168gcm-3冰冰-Ih-Ih中平行于六重軸方向的中平行于六重軸方向的OHOOHO的間隔為的間隔為2752752pm2pm，而其他而其他3 3

21、個為個為2762765pm5pm，OOOOOO接近于接近于109.5109.5。OHOOHO氫鍵中，氫鍵中，H H原子處在原子處在OOOO連線的附近，不是處在連線的附近，不是處在連線上；連線上；出現出現OHOOHO和和OHOOHO兩種方式。氫原子的無序分布，兩種方式。氫原子的無序分布，這兩種方式相等。正是由于氫這兩種方式相等。正是由于氫原子的無序統(tǒng)計分布，提高了原子的無序統(tǒng)計分布，提高了冰冰-Ih-Ih的對稱性，使它具有的對稱性，使它具有D6hD6h點群的對稱性。點群的對稱性。 當溫度升高冰熔化為水，這時大約有當溫度升高冰熔化為水，這時大約有1515的氫鍵斷裂，冰的空闊的氫鍵的氫鍵斷裂，冰的空

22、闊的氫鍵體系瓦解，冰的體系瓦解，冰的“碎片部分環(huán)化成堆積密度較大的多面體，如五角十碎片部分環(huán)化成堆積密度較大的多面體，如五角十二面體。二面體。水中存在的多面體不是完好獨立地存在，而是包含不完好的、相互銜接水中存在的多面體不是完好獨立地存在，而是包含不完好的、相互銜接的、并不斷改動結合型式呈動態(tài)平衡的氫鍵體系。這種轉變過程促使分的、并不斷改動結合型式呈動態(tài)平衡的氫鍵體系。這種轉變過程促使分子間堆積較密，體積減少，密度添加。子間堆積較密，體積減少，密度添加。另一方面，溫度上升，熱運動加劇，使密度減小。兩種影響密度的相反另一方面，溫度上升，熱運動加劇，使密度減小。兩種影響密度的相反要素，導致水在要素

23、，導致水在44時密度最大。冰、水和水蒸氣時密度最大。冰、水和水蒸氣( (或稱汽或稱汽) )三者間熱學三者間熱學性質存在如下關系，由此也正好闡明水中水分子間由大量氫鍵結合在一性質存在如下關系，由此也正好闡明水中水分子間由大量氫鍵結合在一同。同。 10.2.4 氫鍵和物質的性能氫鍵和物質的性能1物質的溶解性能物質的溶解性能 水是運用最廣的極性溶劑。汽油、煤油等水是運用最廣的極性溶劑。汽油、煤油等是典型的非極性溶劑，通稱為油。是典型的非極性溶劑，通稱為油。溶解性質可用溶解性質可用“類似相溶原理表達：類似相溶原理表達： 構造類似的化合物容易相互混溶，構造相差構造類似的化合物容易相互混溶，構造相差很大的

24、化合物不易互溶。很大的化合物不易互溶?！皹嬙於种饕袃蓪雍x：構造二字主要有兩層含義：(1)指物質結名在一同所依托的化學鍵型式，指物質結名在一同所依托的化學鍵型式，對于由分子結合在一同的物質，主要指分子對于由分子結合在一同的物質，主要指分子間結合力方式；間結合力方式；(2)指分子或離子、原子的相對大小以及離子指分子或離子、原子的相對大小以及離子的電價。的電價。 水分子既可為生成氫鍵提供水分子既可為生成氫鍵提供H，又能有孤對電子接受，又能有孤對電子接受H。氫鍵。氫鍵是水分子間的主要結合力。是水分子間的主要結合力。對于溶質分子，凡能為生成氫鍵提供對于溶質分子，凡能為生成氫鍵提供H與接受與接受H者

25、，均和水類者，均和水類似，例如似，例如ROH、RCOOH、Cl3CH、R2CO、RCONH2等等等，均可經過氫鍵和水結合，在水中溶解度較大。等，均可經過氫鍵和水結合，在水中溶解度較大。油分子不具極性，分子間依托較弱的范德華力結合。而不具油分子不具極性，分子間依托較弱的范德華力結合。而不具極性的碳氫化合物，不能和水生成氫鍵，在水中溶解度很小。極性的碳氫化合物，不能和水生成氫鍵，在水中溶解度很小。在同一類型的溶質分子中，如在同一類型的溶質分子中，如ROH，隨著，隨著R基團加大，在水基團加大，在水中溶解度越來越小。中溶解度越來越小。 從熱力學分析，從熱力學分析，G=H - TSG=H - TS，自發(fā)

26、進展的過程自在焓，自發(fā)進展的過程自在焓減少。減少。假設溶質和溶劑類似，溶質和溶劑分子間相互作用能和原來假設溶質和溶劑類似，溶質和溶劑分子間相互作用能和原來溶質、溶劑單獨存在時變化不大，溶質、溶劑單獨存在時變化不大，HH不大，故易互溶。不大，故易互溶。假設溶質和溶劑差別很大，例如水和苯，當苯分子進入水內，假設溶質和溶劑差別很大，例如水和苯，當苯分子進入水內，會破壞原來水內部分子間較強的氫鍵，同時也破壞原來苯分會破壞原來水內部分子間較強的氫鍵，同時也破壞原來苯分子間的較強的色散力，而代之以水和苯分子間的誘導力。這子間的較強的色散力，而代之以水和苯分子間的誘導力。這種誘導力在分子間作用力中占的比重較

27、小，故種誘導力在分子間作用力中占的比重較小，故HH變成較大變成較大的正值，超越的正值，超越TSTS項，項，GG成為正值，使溶解不能進展，所成為正值，使溶解不能進展，所以水和苯不易互溶以水和苯不易互溶. . 丙酮、二氧六環(huán)烷、四氫呋喃等，既能接受丙酮、二氧六環(huán)烷、四氫呋喃等，既能接受H H和和H2OH2O分子生成分子生成氫鍵，又有很大部分和非極性的有機溶劑類似，所以它們能氫鍵，又有很大部分和非極性的有機溶劑類似，所以它們能與水和油等多種溶劑混溶與水和油等多種溶劑混溶. .溫度升高，溫度升高，TSTS項增大，互溶度普通也增大。項增大，互溶度普通也增大。2物質的熔沸點和氣化焓物質的熔沸點和氣化焓分子

28、間作用力愈大的液態(tài)和固態(tài)物質愈不易氣化，其沸點愈高，分子間作用力愈大的液態(tài)和固態(tài)物質愈不易氣化，其沸點愈高，氣化焓愈大。氣化焓愈大。熔化過程也需抑制部分分子間作用力，但因影響熔點和熔化熔化過程也需抑制部分分子間作用力，但因影響熔點和熔化焓的要素較多，其規(guī)律性不如沸點和氣化焓明顯。焓的要素較多，其規(guī)律性不如沸點和氣化焓明顯。構造類似的同系物質，假設系非極性分子，色散力是分子間構造類似的同系物質，假設系非極性分子，色散力是分子間的主要作用力；隨著相對分子質量增大，極化率增大，色散的主要作用力；隨著相對分子質量增大，極化率增大，色散力加大，熔沸點升高。力加大，熔沸點升高。假設分子間存在氫鍵，結合力較

29、色散力強，會使熔沸點顯著假設分子間存在氫鍵，結合力較色散力強，會使熔沸點顯著升高。升高。分子間生成氫鍵，熔點、沸點會上升；分子間生成氫鍵，熔點、沸點會上升；分子內生成氫鍵，普通熔、沸點要降低。例如鄰硝基苯酚生分子內生成氫鍵，普通熔、沸點要降低。例如鄰硝基苯酚生成分子內氫鍵，熔點為成分子內氫鍵，熔點為45，而生成分子間氫鍵的間位和對，而生成分子間氫鍵的間位和對位硝基苯酚，其熔點分別為位硝基苯酚，其熔點分別為96和和114。3粘度和外表張力粘度和外表張力分子間生成氫鍵，粘度會增大，例如甘油和濃硫酸等都是粘分子間生成氫鍵，粘度會增大，例如甘油和濃硫酸等都是粘度較大的液體。度較大的液體。水的外表張力很

30、高，其根源也在于水分子間的氫鍵。水的外表張力很高，其根源也在于水分子間的氫鍵。物質外表能的大小和分子間作用力大小有關，由于外表分子物質外表能的大小和分子間作用力大小有關，由于外表分子遭到的作用力不均勻，能量較高，有使外表自動減少的趨勢。遭到的作用力不均勻，能量較高，有使外表自動減少的趨勢。某些液態(tài)物質外表能的數值列于下表：某些液態(tài)物質外表能的數值列于下表：液態(tài)物質液態(tài)物質水水苯苯丙酮丙酮乙醇乙醇乙醚乙醚外表能外表能 1 0 - 7 J cm-172.828.923.322.617.1假設加外表活性劑破壞外表層的氫鍵體系就可降低外表能。假設加外表活性劑破壞外表層的氫鍵體系就可降低外表能。10.

31、2. 5 氫鍵在生命物質中的作用氫鍵在生命物質中的作用生命物質由蛋白質、核酸、碳水化合物、脂類生命物質由蛋白質、核酸、碳水化合物、脂類等有機物以及水和無機鹽組成。各組分都有其等有機物以及水和無機鹽組成。各組分都有其特殊的生命功能，水起著溶劑作用，許多生化特殊的生命功能，水起著溶劑作用，許多生化反響在水環(huán)境中進展。這些物質結合在一同具反響在水環(huán)境中進展。這些物質結合在一同具有生命的特性，氫鍵在其中起關鍵的作用。例有生命的特性，氫鍵在其中起關鍵的作用。例如蛋白質和核酸中的氫鍵：如蛋白質和核酸中的氫鍵：蛋白質是由一定序列的氨基酸縮合構成的多肽蛋白質是由一定序列的氨基酸縮合構成的多肽鏈分子，它富含構成

32、氫鍵結合的才干。鏈分子，它富含構成氫鍵結合的才干。在多肽主鏈中的在多肽主鏈中的NHNH作作為質子給體，為質子給體， 作為質子受體，作為質子受體，相互構成氫鍵相互構成氫鍵NHONHO，決議了蛋白質的二級構造，決議了蛋白質的二級構造，右圖示出右圖示出-螺旋構造中的螺旋構造中的氫鍵。氫鍵。C O氨基酸側鏈基團中的又可作質子給體或質子受體，相互構成氨基酸側鏈基團中的又可作質子給體或質子受體，相互構成氫鍵，影響蛋白質的立體構造和功能。底物經過準確定向的氫鍵，影響蛋白質的立體構造和功能。底物經過準確定向的氫鍵和酶結合，進展生物催化作用，氫鍵在其中起了重要的氫鍵和酶結合，進展生物催化作用，氫鍵在其中起了重要

33、的作用。作用。核酸分成兩大類：脫氧核糖核酸核酸分成兩大類：脫氧核糖核酸(DNA)(DNA)和核糖核酸和核糖核酸(RNA)(RNA)。前。前者是遺傳信息的攜帶者，后者在生物體內蛋白質的合成中起者是遺傳信息的攜帶者，后者在生物體內蛋白質的合成中起重要作用重要作用DNADNA雙螺旋構造確實立，是雙螺旋構造確實立，是2020世紀自然科學最偉世紀自然科學最偉大的發(fā)現之一。大的發(fā)現之一。DNADNA由兩條多核苷酸鏈組成，鏈中每個核苷由兩條多核苷酸鏈組成，鏈中每個核苷酸含有一個戊糖、一個磷酸根和一個堿基。堿基分兩類：一酸含有一個戊糖、一個磷酸根和一個堿基。堿基分兩類：一類為雙環(huán)的嘌呤，包括腺嘌呤類為雙環(huán)的嘌

34、呤，包括腺嘌呤(adenine(adenine，A)A)和鳥嘌呤和鳥嘌呤(guanine(guanine，G)G)；一類為單環(huán)的嘧啶，包括胸腺嘧啶；一類為單環(huán)的嘧啶，包括胸腺嘧啶(thymine(thymine，T)T)和胞嘧啶和胞嘧啶(cytosine(cytosine，C)C)。 在在RNARNA中不含胞嘧啶，而代之為尿嘧啶中不含胞嘧啶，而代之為尿嘧啶(uracil(uracil，U)U)戊糖戊糖分子上第分子上第1 1位碳原子與一個堿基結合，構成核苷。假設戊位碳原子與一個堿基結合，構成核苷。假設戊糖是脫氧核糖，構成脫氧核糖核苷；假設戊糖是核糖，構糖是脫氧核糖，構成脫氧核糖核苷；假設戊糖是核

35、糖，構成核糖核苷。成核糖核苷。DNADNA中磷酸根上兩個中磷酸根上兩個O O原子分別和兩個脫氧核原子分別和兩個脫氧核糖核苷上的糖核苷上的5 5位和位和3 3位的位的C C原子相連生長鏈。兩鏈的堿基原子相連生長鏈。兩鏈的堿基相互經過氫鍵配對。相互經過氫鍵配對。A A和和T T間構成兩種堿基，間構成兩種堿基，G G和和C C間構成三間構成三個氫鍵，如下圖。由于構成氫鍵的要求，這種配對是互補個氫鍵，如下圖。由于構成氫鍵的要求，這種配對是互補的、專注的，而不可替代的，稱為堿基互補配對。的、專注的，而不可替代的，稱為堿基互補配對。DNADNA雙雙鏈構造中，鏈構造中，A A和和T T兩種堿基的數量一樣，兩

36、種堿基的數量一樣，G G和和C C數量也一樣。數量也一樣。由于堿基配對的要求，兩條鏈的走向相反。由于堿基配對的要求，兩條鏈的走向相反。 DNA中兩條長鏈分子因空間構造的要求，相互構成右手中兩條長鏈分子因空間構造的要求，相互構成右手螺旋的構造。它好似一個螺旋梯子，磷酸根和戊糖構成梯螺旋的構造。它好似一個螺旋梯子，磷酸根和戊糖構成梯子兩側的扶架，堿基對像梯子的踏板，堿基間間隔子兩側的扶架，堿基對像梯子的踏板，堿基間間隔o.34Dm，每個螺旋周期含，每個螺旋周期含10對堿基，周期長對堿基，周期長3.4nm，如，如上上(b)圖所示。圖所示。 10.3非常規(guī)氫鍵非常規(guī)氫鍵常規(guī)的氫鍵常規(guī)的氫鍵XHY是在一

37、個質子給體是在一個質子給體(例例如一個如一個OH或或NH基團基團)和一個質子受體和一個質子受體原子原子(例如帶有孤對電子的例如帶有孤對電子的O或或N原子原子)之間之間構成。構成。X和和Y都是都是F、O、N、C1或或C等電等電負性較高的原子。近年來，發(fā)現了幾種不負性較高的原子。近年來，發(fā)現了幾種不屬于上述常規(guī)氫鍵的體系，現分述如下：屬于上述常規(guī)氫鍵的體系，現分述如下： 1XH 氫鍵氫鍵 在在XH氫鍵中，氫鍵中，鍵或離域鍵或離域鍵體系作為質子的受鍵體系作為質子的受體。體。 由苯基等芳香環(huán)的離域由苯基等芳香環(huán)的離域鍵構成的鍵構成的XH氫鍵芳香氫鍵芳香氫鍵氫鍵aromatic hydrogen bond)，多肽鏈中的，多肽鏈中的NH與水與水的的OH，它們和苯基構成的，它們和苯基構成的NH和和OH在多肽在多肽構造以及生物體系中是非常重要的，它對穩(wěn)定多肽鏈的構構造以及生物體系中是非常重要的，它對穩(wěn)定多肽鏈的構象將起重要作用。根據計算，理想的象將起重要作用。根據計算，理想的NHPh氫鍵的鍵氫鍵的鍵能值約為能值約為12kJmol-1。知多肽鏈內部。知多肽鏈內部NHPh氫鍵的結氫鍵的結合方式有合方式有下面兩種：下面兩種： CNHOCCCCOCNHNNCCCHH2