什么是氢键 氢键的形成条件

氢键，这一在分子相互作用中独树一帜的存在，对于DNA的双螺旋结构、冰的密度特性以及众多生物现象起着关键作用。自其被提出以来，学界一直对其究竟属于分子间作用力还是共价键存在争议。虽然在教科书中常被定义为分子间作用力，但它亦展现出不可忽视的共价键特性。最近的研究进展在顶尖科学期刊上发表，为我们揭开了氢键的更多秘密。

诸多有趣的现象可归因于氢键：冰虽为固体，其密度却低于液态水；乙醇、乙酸的沸点高于相似分子量的有机物；氢离子和氢氧根在溶液中的迁移速度优于其他阴阳离子；以及DNA中氢键绑定的双螺旋结构保障了遗传物质的稳定性等。

关于氢键，科学家们的研究从未停止。近百年来，虽然核心问题尚未得到完美解答，但每一篇关于氢键的论文都引发了热烈讨论。氢键与化学键的过渡是研究的重点，而最近的一篇Science论文再次引起了广泛关注。

早在1923年，Gilbert Lewis在其著作中首次提出了氢键的概念，从而开启了关于氢键性质的探讨。氢键的存在使得H元素与N、O、F等强吸电子能力的非金属原子形成化学键时，产生特殊的静电相互作用。由于氢原子核周围电子的缺失，使得H原子与具有孤对电子的原子间产生强烈的静电吸引力，形成了氢键。

争论不断：氢键到底是“共价键”还是“分子间作用力”？这一争论自提出之日起已持续近百年，且至今没有明确的定论。

图1展示了共价键、分子间作用力与氢键的特点。共价键通过电子轨道的重组来绑定原子，具有特定的空间取向；而分子间作用力由于不存在轨道约束和距离较远，其强度较弱且无明确空间取向。

在冰中，为了充分靠近O的孤对电子，H形成了具有特定空间取向的氢键，这也在分子间产生了大量空隙，使得固体冰的密度反而小于液态水。这正如图2所示。

从物理化学的角度看，氢键可视为一种电负性原子与氢原子的相互作用，这种相互作用由于氢原子的尺寸小，使得相互作用的偶极或电荷得以接近。这种相互作用最好被视为静电相互作用，并伴有共价键的特性。

了解氢键不仅对物理化学有意义，更有助于人们系统认识宇宙与生命，开发新的应用体系。在生命体中，氢键扮演着至关重要的角色：从维持DNA的双螺旋结构确保遗传物质稳定，到在酶催化过程中起到关键作用，氢键无处不在。

图3展示了不同状态的氢键及其势垒图。低势垒氢键在酶催化过程中起到重要作用，能使底物与催化剂形成稳定的中间态，从而高效催化反应。这一发现为催化领域提供了新的思路，如在温和条件下高效催化各类反应。

在能源领域的燃料电池中，模拟单阱氢键亦能提升氢离子或氢氧根离子的传输效率。而观测星际光谱，研究地外世界的各类化学反应等亦可能受到氢键研究的启发。

尽管目前尚未发现氢键应用的明确重大意义，但弄清其从分子间作用力到共价键的转变过程，为这百年争论画上休止符，不也是一件极富趣味的事情吗？