氢键：一种特殊的分子间相互作用力
氢键：一种特殊的分子间相互作用力
氢键是一种特殊的分子间相互作用力，它在化学、生物等领域的许多现象中都扮演着重要角色。本文将从氢键的定义、形成条件、分类、理化特性等方面，为您全面解析这一重要的化学概念。
氢键的定义与形成条件
氢键（hydrogen bond）是一种非共价相互作用力，通常发生在含有氢原子的分子与具有较强电负性的原子之间。在氢键中，氢原子与一个电负性较高的原子（如氧、氮或氟）形成极性共价键后，它的部分正电荷会吸引另一个分子中的电负性较高的原子，从而形成一个较弱的非共价相互作用力。
氢键的能量约在10-40KJ.mol-1，较范德华作用力(低于10KJ.mol-1)强，而远小于通常化学键的强度(键能是102数量级)。由于物质内部趋向于尽可能多地生成氢键以降低体系的能量，又因为氢键的“键能”小，形成的空间条件较灵活，所以它的形成和断裂所需活化能很小。
氢键的成键原子与分类
典型的氢键中，X和Y是电负性很强的F、N和O原子。但C、S、Cl、P甚至Br和I原子在某些情况下也能形成氢键，但通常键能较低。碳在与数个电负性强的原子相连时也有可能产生氢键。例如在氯仿CHCl3中，碳原子直接与三个氯原子相连，氯原子周围电子云密度较大，因而碳原子周围即带有部分正电荷，碳也因此参与了氢键的形成，扮演了质子供体的角色。
氢键可以分为同种分子之间、不同种分子之间、分子内氢键、双氢键与π氢键、双面体结构氢键、线性结构氢键和环形结构氢键等类型。
氢键的理化特性
氢键通常是物质在液态时形成的，但形成后有时也能继续存在于某些晶态甚至气态物质之中。例如在气态、液态和固态的HF中都有氢键存在。能够形成氢键的物质是很多的，如水、水合物、氨合物、无机酸和某些有机化合物。氢键的存在，影响到物质的某些性质。
氢键的结合能是2—8千卡（Kcal）。氢键是一种比分子间作用力（范德华力）稍强，比共价键和离子键弱很多的相互作用。其稳定性弱于共价键和离子键。
氢键的影响及作用
氢键可以在分子中提供稳定性，特别是在分子内部或分子间形成氢键网络时。例如，水分子中的氢键网络赋予水分子高比热容和高沸点，从而使水在生物体系和地球上的环境中起着重要作用。生物大分子（如蛋白质和核酸）的结构稳定性往往受到氢键的调控。在蛋白质的二级和三级结构中，氢键的形成对于蛋白质的折叠和稳定至关重要。
氢键可以影响分子在溶剂中的溶解性和相互作用。例如，水分子的氢键网络可以与其他分子形成氢键作用，影响其溶解度、溶解速率和溶解过程中的化学反应。在某些情况下，氢键的存在可以降低反应的活化能，从而加速反应速率。此外，氢键的形成或破坏可以导致不同产物的生成，从而影响反应的选择性。
氢键的拍摄
中科院国家纳米科学中心2013年11月22日宣布，该中心科研人员在国际上首次“拍”到氢键的“照片”，实现了氢键的实空间成像，为“氢键的本质”这一化学界争论了80多年的问题提供了直观证据。这不仅将人类对微观世界的认识向前推进了一大步，也为在分子、原子尺度上的研究提供了更精确的方法。
这一成果发表在日前出版的《科学》杂志上，被评价为“一项开拓性的发现，真正令人惊叹的实验测量”“是一项杰出而令人激动的工作，具有深远的意义和价值”。这项研究是由国家纳米科学中心研究员裘晓辉和副研究员程志海领导的实验团队，以及中国人民大学物理系副教授季威领导的理论计算小组合作完成的。裘晓辉带领的研究团队对一种专门研究分子、原子内部结构的显微镜——非接触原子力显微镜进行了核心部件的创新，极大提高了这种显微镜的精度，终于首次直接观察到氢键，为争论提供了直观证据。另外据称，氢键有望解决姆潘巴现象。
氢键的高清晰照片能帮助科学家理解其本质，进而为控制氢键、利用氢键奠定基础。在此基础上，我们未来有可能人工影响或控制水、DNA和蛋白质的结构，生命体和我们生活的环境也有可能因此而改变。如支撑DNA双螺旋结构的就是氢键，氢键还能解开和复制，在生命遗传中起到非常重要的作用。