氢键对物质性质的影响

氢键对物质性质的影响氢键属于一种较强的分子间作用力，既可以存在于分子之间，也可以存在于复杂分子的内部。用X—H…Y来表示，氢原子位于其间是氢键形成的重要条件之一，同时氢原子两边的X原子和Y原子所属元素必须具有很强的电负性和很小的原子半径（如：N、O、F）。氢键的作用能一般不超过40KJ·mol-1，比化学键的键能小得多，比范德华力的作用能大一些。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。1、对沸点和熔点的影响分子间氢键的形成使物质的沸点和熔点升高，因为要使液体气化，必须破坏大部分分子间的氢键，这需要较多的能量；要使晶体熔化，也要破坏一部分分子间的氢键。所以，形成分子间氢键的化合物的沸点和熔点都比没有氢键的同类化合物为高。分子内氢键的形成使物质的沸点和熔点降低，如邻位硝基苯酚的熔点为45℃，而间位和对位硝基苯酚的熔点分别是96℃和114℃。这是由于间位和对位硝基苯酚中存在着分子间氢键，熔化时必须破坏其中的一部分氢键，所以它们熔点较高；但邻位硝基苯酚中已经构成内氢键，不能再构成分子间氢键了，所以熔点较低。2、对溶解度的影响在极性溶剂里，如果溶质分子与溶剂分子间可以生成氢键，则溶质的溶解度增大。HF和NH3在水中的溶解度比较大，就是这个缘故。如果溶质分子内形成氢键，则在极性溶剂里的溶解度减小。例如，对硝基苯酚中羟基，能同水分子中的氧原子缔合成氢键，促使它在水中溶解，因此溶解度大。但邻硝基苯酚的羟基，通过氢原子能与其邻位上硝基的氧原子形成分子内氢键，即不能再同水的氢原子形成氢键，因此溶解度减小。邻位与对位硝基苯酚在20℃的水里的溶解度之比为0.39。形成分子内氢键的化合物在非极性溶剂里，其溶解度与上述情况相反。3、粘度分子间有氢键的液体，一般粘度较大。例如甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物，由于分子间可形成众多的氢键，这些物质通常为粘稠状液体。4、对密度的影响液体分子间若形成氢键，有可能发生缔合现象，例如液态HF，在通常条件下，除了正常简单的HF分子外，还有通过氢键联系在一起的复杂分子(HF)n。(HF)n中的n可以是2，3，4…，这种由若干个简单分子联成复杂分子而又不会改变原物质化学性质的现象，称为分子缔合。分子缔合的结果会影响液体的密度。H2O分子之间也有缔合现象，常温下液态水中除了简单H2O分子外，还有(H2O)2，(H2O)3，…，(H2O)n等缔合分子存在。降低温度，有利于水分子的缔合。温度降至0℃时，全部水分子结成巨大的缔合物——冰。由于氢键具有饱和性和方向性，所以水的密度呈现特殊性。(1)在冰中,水分子大范围最大程度地以氢键结合形成相当疏松的晶体,占有的体积大因而密度小，所以冰会浮在水面上。(2)当冰熔化时,水分子不能最大程度的形成氢键,因而占有体积减小,密度增大.(3)液态水时,温度升高,水的热运动加剧,体积膨胀密度变小.(4)在4℃时,(2)(3)两种变化达到平衡,因而4℃时水的密度最大。5、对酸性的影响如苯甲酸的电离常数为K，则在邻位、间位、对位上带有羟基时，电离常数依次为15.9K、1.26K和0.44K。如左右两边邻位上各取代一羟基，则电离常数为800K。这是由于邻位上的羟基与苯甲酸根生成带氢键的稳定的阴离子，从而增加了羧基中氢原子的电离度。