氢键的形成以及对物质性质的影响

氢键的形成以及对物质性质的影响090901135姚瑶摘要：本文主要论述了氢键的本质，形成，种类以及对物质性质的影响，阐述了氢键形成的条件以及分子中存在氢键物理和化学性质的变化。关键词：氢键，形成条件，影响在高中化学课本必修2第二章中讲微粒之间的相互作用力涉及到氢键的内容，NH3，H2O，HF等分子之间存在一种比分子间作用力稍强的相互作用，这种相互作用叫氢键。氢键是已经以共价键与其他原子键合的氢原子与另一个原子间产生的分子间作用力。原子半径较小，非金属性很强的原子X（N，O，F）与H原子形成强极性共价键，与另一个分子中半径较小，非金属性很强的原子Y（N，O，F）产生较强的静电吸引，形成氢键，通式X-H…Y-H（X,Y可同可不同，一般为N，O，F）。氢键可以分为分子间氢键和分子内氢键。根据氢键的形成条件，CHF3满足氢键形成条件，但CHF3能否形成分子间氢键？形成氢键必须满足俩个基本条件，第一：分子中必须有一个与电负性很强的元素形成强极性键的氢原子，第二：另一分子中必须有带孤对电子对，电负性大，且原子半径小的元素（如F，O，N等），因为氢原子的特点是原子半径小，结构简单，核外只有一个电子，无内层电子，它与电负性大的元素形成共价键后，电子强烈电负性大的元素一边，使氢几乎成为赤裸的质子，呈现相当强的正电负性，因此它易与另一分子中电负性大的元素接近，并产生静电吸引作用，从而形成氢键。但分析CHF3的结构，其中的H原子是不符合形成氢键条件的，因为H是和电负性不太大的C原子相连的。在CHF3分子中，三个F原子和C相连，F原子电负性很大，是否会由于三个F对C的作用从而诱导H有了较大的正电性而能够形成氢键呢？我们知道，若分子间形成氢键，则同类型化合物的熔沸点将出现异常现象。因为氢键的形成会使分子间有了较强的结合力，化合物的熔点和沸点会显著升高。如某些氢化物的沸点递变顺序：NH3PH3AsH3SbH3结构和组成相似的分子型物质，沸点随分子量增大而升高，但这里却出现意外，原因是HF，H2O，NH3分子间形成了氢键。再考虑CHF3，若能形成分子间氢键，那么在CHX3的同类型化合物中也应出现沸点变化的异常现象，而通过实验数据却给出了否定答案三卤甲烷CHF3CHCl3CHBr3CHI3沸点-82.261.7149.5218CHF3的气化热为16.7KJ/mol属于一般极性分子的范德华力的作用能范围，也不显现分子间氢键的存在。由此可知，无论从分子结构分析还是实验数据验证，都是不支持CHF3能形成分子间氢键的。氨合物，无机酸和某些有机化合物，通常是物质在液态是形成氢键，但形成后有时也能继续存在于某些晶体甚至气态物质中。但能形成氢键的物质中一定存在氢键吗？氢键的存在也与物质的状态有关，如液态和固态水中存在氢键，但气态水分子之间由于距离太远无法形成氢键。氢键作为化学键以及范德华力之外的一种作用力，是一种重要的次级键。氢键虽然是一种弱键，但由于它的存在，物质的性质出现了反常现象。我们知道分子间氢键对物质的熔沸点有影响，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。分子内氢键的生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。一体积的水可以溶解700体积的氨气，氢键的存在对氨气分子在水中的溶解度有极大影响。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。如果溶质分子钳环化（即形成分子内氢键），则在极性溶剂里的溶解度减小。列如，对硝基苯酚中O-H基，能同水的氧原子缔合成氢键，促使它在水中溶解，因此溶解度大，在水蒸气不挥发。但邻硝基苯酚的O-H基，通过氢原子能与其邻位上硝基的氧原子钳环化，即不能再同水的氢原子形成氢键，因此溶解度减小，而且易被水蒸气蒸馏出去。另外液态分子间若形成氢键，有可能发生缔合现象，列如液态HF，在通常条件下，还有通过氢键联系在一起的复杂分子（HF）n.n(HF)n。其中n可以是2,3,4……。这种由若干个简单分子联成复杂而又不会改变物质化学性质的现象，称为分子缔合，分子缔合会影响液体的密度。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。氢键的存在可以影响物质的物理和化学性质。另外由于氢键的静电作用和定向性质，在分子形成晶体堆积的过程有一定的作用。尤其当体系中形成较多氢键时，通过氢键连接成网络结构和多维结构在晶体工程学中有重要意义。参考文献[1]张广宏，马文霞，万会军，氢键的类型和本质[J],化学教学，2007，（07）[2]张广宏，氢键的形成条件及物质性质的影响[J]，宁夏师范学院学报，2007，（03）。