水与极性溶质形成氢键
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生物化學
【第5版】
CH02
水
歐亞書局
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
水系統中微弱的交互作用 水、弱酸和弱鹼的離子化 生物系統中調節 pH 值改變的緩衝作用 水是一種反應物 生命體內的水環境提供了合適度
歐亞書局
CH 2
水
p.45
2.1 細胞的基礎
水系統中微弱的交互作用
水比多數其他常見的溶劑具有更高的熔點、沸點和汽
歐亞書局
CH 2
水
p.49
圖 2-6
圖2-6 水為溶劑。水可藉由水合其所含的離子溶解許多結晶鹽。當水分 子與 Cl－ 及 Na＋離子聚集時會破壞 NaCl 的結晶格。部分離子電荷被中和， 而且形成晶格所需的靜電吸引力會減弱。
歐亞書局
CH 2
水
p.48
非極性氣體難溶於水中
歐亞書局 CH 2 水
p.46
相對於共價鍵，氫鍵是微弱的鍵結。在液態下其Biblioteka Baidu離
鍵結能量（bond dissociation energy；此能量可用來破 壞氫鍵）約為 23 kJ/mol，而於水分子內的O─H 共價 鍵需要 470 kJ/mol，或 C─C 共價鍵需要348 kJ/mol。 在冰的狀態下，各個水分子固定在一定的空間，使得 水分子得以與其他四個水分子形成氫鍵，產生一個規 則格子結構（圖 2-2）。 破壞形成冰的結晶格須大量的熱能打斷足量的氫鍵， 這代表水是高熔點（表 2-1）。
化熱（表 2-1）。 水分子的氫原子與中央的氧原子共用一電子對。分子 的幾何形狀是由氧原子外面的電子軌道所決定，與碳 sp3 軌道是相似的。 這些軌道形成一個約略的四面體，由兩個氫原子（位 在其中兩個角落）和氧的兩對不共用電子對（位在另 外的兩個角落）組成（圖 2-1a）。
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CH 2
水
其陰電性高的原子（氫接受者，通常是氧或氮原子） 會和一個氫原子（氫提供者）與陰電性高的原子具共 價鍵結之間形成氫鍵（圖 2-3）。 醇類、醛類、酮類，和含有 N─H 鍵的化合物，也都 會和水分子形成氫鍵（圖 2-4）並且傾向於溶解在水 中。 以靜電交互作用方式造成分子結合的最佳狀態時，氫 鍵以最堅固的排列方式存在。
歐亞書局 CH 2 水
p.45
表2-1
歐亞書局
CH 2
水
p.47
圖 2-1
圖2-1 水分子的結構。(a) 水分子的雙極性特性以球與棒及模型來表示。 破折號表示未鍵結的軌道。氧原子周圍外殼的電子對以類似四面體的方 式排列；兩個氫原子有局部正電荷（δ＋），氧原子有部分帶負電荷（δ－ (b) 兩水分子間的氫鍵（本書以三條藍線標明）是由上方水分子的 氧原子與下方水分子的氫原子所形成。氫鍵比氫氧之間的共價鍵長且弱。
圖 2-2
圖2-2 冰中的氫鍵。冰中的每個水分子最多形成四個氫鍵，且可形成有 規則的結晶格。相對地，在大氣壓力下，室溫的液態水中，每個水分子 平均與其他 3.4 個水分子形成氫鍵。冰的結晶格使其密度比水小，所以冰 可以浮於水上。
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p.46
水與極性溶質形成氫鍵
氫鍵並不是只存在於水中。在同一個或不同分子裡，
線（圖 2-5）時，氫離子的正電荷直接地位於兩個局 部負電荷之間，可形成最穩固的氫鍵。
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CH 2
水
p.47
水與帶電荷溶質間的靜電作用
水為極性的溶劑，可輕易的溶解大部分的生物分子，
通常是帶電荷或極性的化合物（表 2-2）；此種可輕 易在水中溶解的化合物稱之為親水性（hydrophilic） 。 反之則為非極性，例如：氯仿和苯對於極性生物分子 都是屬於較差的溶劑，但其卻能輕易的溶解於疏水性 （hydrophobic），屬於非極性分子，例如：脂質或臘 中。 水可以溶解鹽類，例如：氯化鈉（NaCl），藉由水合 作用和穩定 Na＋和 Cl－離子削弱它們之間的靜電交互 作用，避免其形成結晶狀（圖 2-6）。
p.45
氧原子對電子的吸引力比氫核（質子）強，意即氧具
較高的陰電性。 在 H 和 O 之間電子的共用是不平均的；共用的電子 經常位在氧原子附近。 此不平均的電子共用結果會在水分子上造成兩個電偶 極，各沿著每個 H─O 鍵；每個氫原子負擔一部分正 電荷（δ ＋ ），氧原子負擔另一部分負電荷（2δ － ） 來平衡這兩個正電荷（圖 2-1b）。 這種電荷分布造成一個水分子的氧原子和另外一個水 分子的氫原子之間有一種靜電吸引力，稱之為氫鍵（ hydrogen bond）。
。因此在非極性環境下，離子的交互作用是較強的。
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CH 2
水
p.48
表 2-2
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水
p.48
當結晶物質溶解使得熵增加
當鹽類如氯化鈉溶解時，離開結晶格的 Na ＋和Cl －
離子會得到更大的自由度（圖 2-6）。 此結果會使系統內的熵（亂度）增加，而使鹽類如氯 化鈉極易溶解。 在熱動力學裡，溶液的形成會產生相當優勢的自由能 變化： Δ G ＝ΔH－TΔS，其中 ΔH 為較小的正值， TΔS 為較大的正值，所以 ΔG 是負的。
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水
p.46
因此，當冰融化或水蒸發，熱能會被系統吸收：
由於自發性反應，其自由能變化（ Δ G）必須為一個
負值以驅動反應。 Δ G ＝ Δ H － T ΔS， Δ G 代表驅 動力， Δ H 為形成鍵結或破壞鍵結所需的焓，而 Δ S 則為在亂度的變化。
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水
p.46
歐亞書局 CH 2 水
p.48
水可藉由溶質與水形成氫鍵，取代溶質與溶質間的氫
鍵來輕易的溶解化合物，如此隔離溶質間的靜電相互 作用。 在液體裡離子相互作用的力量(F) 是依據電荷的強度 (Q)，電荷團間的距離 (r)，和溶劑的介電常數 (ε) 而有 下列關係式：
在 25℃ 時，水的 ε 是 78.5，而非極性的苯之 ε 是4.6
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p.47
圖 2-3 FIGURE 1-5
圖2-3 生物系統中常見的氫鍵。氫原子的接受者通常為氧或氮原子，氫 原子的提供者為其他帶負電荷的原子。
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水
p.47
圖 2-4 FIGURE 1-5
圖2-4 一些生物上 重要的氫鍵。
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p.47
當氫接受者原子與提供者和其共價氫原子之間呈一直
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水系統中微弱的交互作用 水、弱酸和弱鹼的離子化 生物系統中調節 pH 值改變的緩衝作用 水是一種反應物 生命體內的水環境提供了合適度
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2.1 細胞的基礎
水系統中微弱的交互作用
水比多數其他常見的溶劑具有更高的熔點、沸點和汽
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水
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圖 2-6
圖2-6 水為溶劑。水可藉由水合其所含的離子溶解許多結晶鹽。當水分 子與 Cl－ 及 Na＋離子聚集時會破壞 NaCl 的結晶格。部分離子電荷被中和， 而且形成晶格所需的靜電吸引力會減弱。
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非極性氣體難溶於水中
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p.46
相對於共價鍵，氫鍵是微弱的鍵結。在液態下其Biblioteka Baidu離
鍵結能量（bond dissociation energy；此能量可用來破 壞氫鍵）約為 23 kJ/mol，而於水分子內的O─H 共價 鍵需要 470 kJ/mol，或 C─C 共價鍵需要348 kJ/mol。 在冰的狀態下，各個水分子固定在一定的空間，使得 水分子得以與其他四個水分子形成氫鍵，產生一個規 則格子結構（圖 2-2）。 破壞形成冰的結晶格須大量的熱能打斷足量的氫鍵， 這代表水是高熔點（表 2-1）。
化熱（表 2-1）。 水分子的氫原子與中央的氧原子共用一電子對。分子 的幾何形狀是由氧原子外面的電子軌道所決定，與碳 sp3 軌道是相似的。 這些軌道形成一個約略的四面體，由兩個氫原子（位 在其中兩個角落）和氧的兩對不共用電子對（位在另 外的兩個角落）組成（圖 2-1a）。
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CH 2
水
其陰電性高的原子（氫接受者，通常是氧或氮原子） 會和一個氫原子（氫提供者）與陰電性高的原子具共 價鍵結之間形成氫鍵（圖 2-3）。 醇類、醛類、酮類，和含有 N─H 鍵的化合物，也都 會和水分子形成氫鍵（圖 2-4）並且傾向於溶解在水 中。 以靜電交互作用方式造成分子結合的最佳狀態時，氫 鍵以最堅固的排列方式存在。
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表2-1
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圖 2-1
圖2-1 水分子的結構。(a) 水分子的雙極性特性以球與棒及模型來表示。 破折號表示未鍵結的軌道。氧原子周圍外殼的電子對以類似四面體的方 式排列；兩個氫原子有局部正電荷（δ＋），氧原子有部分帶負電荷（δ－ (b) 兩水分子間的氫鍵（本書以三條藍線標明）是由上方水分子的 氧原子與下方水分子的氫原子所形成。氫鍵比氫氧之間的共價鍵長且弱。
圖 2-2
圖2-2 冰中的氫鍵。冰中的每個水分子最多形成四個氫鍵，且可形成有 規則的結晶格。相對地，在大氣壓力下，室溫的液態水中，每個水分子 平均與其他 3.4 個水分子形成氫鍵。冰的結晶格使其密度比水小，所以冰 可以浮於水上。
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水與極性溶質形成氫鍵
氫鍵並不是只存在於水中。在同一個或不同分子裡，
線（圖 2-5）時，氫離子的正電荷直接地位於兩個局 部負電荷之間，可形成最穩固的氫鍵。
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水與帶電荷溶質間的靜電作用
水為極性的溶劑，可輕易的溶解大部分的生物分子，
通常是帶電荷或極性的化合物（表 2-2）；此種可輕 易在水中溶解的化合物稱之為親水性（hydrophilic） 。 反之則為非極性，例如：氯仿和苯對於極性生物分子 都是屬於較差的溶劑，但其卻能輕易的溶解於疏水性 （hydrophobic），屬於非極性分子，例如：脂質或臘 中。 水可以溶解鹽類，例如：氯化鈉（NaCl），藉由水合 作用和穩定 Na＋和 Cl－離子削弱它們之間的靜電交互 作用，避免其形成結晶狀（圖 2-6）。
p.45
氧原子對電子的吸引力比氫核（質子）強，意即氧具
較高的陰電性。 在 H 和 O 之間電子的共用是不平均的；共用的電子 經常位在氧原子附近。 此不平均的電子共用結果會在水分子上造成兩個電偶 極，各沿著每個 H─O 鍵；每個氫原子負擔一部分正 電荷（δ ＋ ），氧原子負擔另一部分負電荷（2δ － ） 來平衡這兩個正電荷（圖 2-1b）。 這種電荷分布造成一個水分子的氧原子和另外一個水 分子的氫原子之間有一種靜電吸引力，稱之為氫鍵（ hydrogen bond）。
。因此在非極性環境下，離子的交互作用是較強的。
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表 2-2
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當結晶物質溶解使得熵增加
當鹽類如氯化鈉溶解時，離開結晶格的 Na ＋和Cl －
離子會得到更大的自由度（圖 2-6）。 此結果會使系統內的熵（亂度）增加，而使鹽類如氯 化鈉極易溶解。 在熱動力學裡，溶液的形成會產生相當優勢的自由能 變化： Δ G ＝ΔH－TΔS，其中 ΔH 為較小的正值， TΔS 為較大的正值，所以 ΔG 是負的。
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因此，當冰融化或水蒸發，熱能會被系統吸收：
由於自發性反應，其自由能變化（ Δ G）必須為一個
負值以驅動反應。 Δ G ＝ Δ H － T ΔS， Δ G 代表驅 動力， Δ H 為形成鍵結或破壞鍵結所需的焓，而 Δ S 則為在亂度的變化。
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水可藉由溶質與水形成氫鍵，取代溶質與溶質間的氫
鍵來輕易的溶解化合物，如此隔離溶質間的靜電相互 作用。 在液體裡離子相互作用的力量(F) 是依據電荷的強度 (Q)，電荷團間的距離 (r)，和溶劑的介電常數 (ε) 而有 下列關係式：
在 25℃ 時，水的 ε 是 78.5，而非極性的苯之 ε 是4.6
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圖 2-3 FIGURE 1-5
圖2-3 生物系統中常見的氫鍵。氫原子的接受者通常為氧或氮原子，氫 原子的提供者為其他帶負電荷的原子。
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圖 2-4 FIGURE 1-5
圖2-4 一些生物上 重要的氫鍵。
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當氫接受者原子與提供者和其共價氫原子之間呈一直