化学自习室移动版

【导读】以下是快速判定氢键强弱的基本原则，实际案例中经常会进一步考虑综合因素的影响，而非简单单一因素。

①看供体原子：F>O>N>Cl（电负性优先，原子半径次之）

②看受体原子：受体电负性越高，氢键越强（如O>N>Cl）

③看键长和角度：键长越短、越接近线性，氢键越强

④看环境状态：固态中氢键通常强于液态或气态

一、影响氢键强弱的因素

1. 供体原子的电负性：电负性越高，对H的极化作用越强，氢键越强。

电负性顺序：F(4.0)>O(3.5)>N(3.0)

氢键强度顺序：F-H…F>O-H…O>N-H…N

2. 受体原子的电负性：受体原子电负性越高，越容易吸引H的δ+电荷，氢键越强。

例如：O-H…O(强)>O-H…N(中)>O-H…Cl(弱)

3. 原子半径：原子半径越小，供体与受体距离越近，键长越短，键能越强。

例如：氟(F)原子半径小,F-H…F键长短且强;氯(Cl)虽然电负性高,但原子半径大,Cl-H…Cl键能弱(约5 kJ/mol)。

4. 氢键的几何结构：线性排列(接近180°)时,氢键最强;角度偏离会减弱键能。

例如：冰中的O-H…O键接近线性,而液态水中因分子运动导致角度偏离,氢键变弱。

5. 环境状态因素

固态中：氢键更有序(如冰中的规则排列),比液态或气态更强。

溶剂极性：极性溶剂可能通过竞争氢键削弱分子内氢键(如羧酸在极性溶剂中二聚体解离)。

二、 典型氢键的键能排序表

常见强弱顺序：

F-H…F>O-H…O>N-H…O≈O-H…N>N-H…N>Cl-H…Cl

三、分子内氢键与分子间氢键的对比

分子内氢键(如邻硝基苯酚)：因几何限制可能键长较短，但实际键能较弱(因供体和受体难以最佳排列)。

分子间氢键(如水)：更灵活，可形成更强的网络结构。

四、氢键与范德华力的对比

氢键(5–40 kJ/mol)强于普通范德华力(<5 kJ/mol),但弱于共价键(>150 kJ/mol)。

通过以上原则可以系统分析不同体系中氢键的强弱关系。如DNA中C-G碱基对比A-T更稳定，冰的密度比液态水低，以及H₂O、HF的沸点高低，均与氢键强弱直接相关。

五、常见氢键的对比详解

例1：F-H…F 对比 O-H…O

氟化氢(HF)：F的电负性极高(4.0),且原子半径小,F-H…F键能高达约40 kJ/mol(接近弱共价键)。HF在气态、液态和固态中均形成链状或环状结构，沸点高(19.5°C)。

水(H₂O)：O的电负性稍低(3.5)，O-H…O键能约10–30 kJ/mol。水的沸点(100°C)由氢键网络维持，但单个氢键弱于HF。

例2：N-H…O 对比 O-H…N

蛋白质中的氢键(N-H…O)：在α螺旋或β折叠中，N-H(来自酰胺基)与羰基O形成氢键(键能~15 kJ/mol)，维持蛋白质二级结构。

氨与水的相互作用(O-H…N)：水中的O-H与NH₃的N形成氢键(键能~10 kJ/mol)，使NH₃易溶于水。

例3：DNA中的氢键的综合对比

C-G碱基对：3条氢键(2条N-H…O,1条N-H…N),总键能更高,稳定性强。

A-T碱基对：2条氢键(N-H…O),总键能较低,稳定性弱。

应用：PCR扩增时，C-G含量高的DNA解链温度(Tm)更高。

例4：Cl-H…Cl的氢键为什么很弱？

氯化氢(HCl)：Cl的电负性高(3.0)，但原子半径大，Cl-H…Cl键能仅约5 kJ/mol。HCl在气态中几乎以单体存在，液态中仅有少量二聚体。