化学自习室移动版

一、 氢键的形成及其本质

与吸引电子能力极强的元素（F、O、N等）相结合的氢原子，由于这些元素的吸引电子能力极强，导致键的极性太强，使共用电子对极大地偏向于吸引电子能力强的原子，而氢原子几乎成了不带电子、半径极小的带正电的核，它会受到相邻分子中吸引电子能力强、半径较小的原子（F、O、N等）中孤对电子的强烈吸引，而在其间表现出较强的作用力，这种作用力就是氢键。一般表示为X—H…Y，其中氢原子与Y原子之间的结合力就是氢键（以H…Y表示）。

水分子中氢键的形成

氢键的形成

氢键本质上也是一种静电作用，其键能一般在41.84 kJ/mol以下，比化学键的键能要小得多，比分子间作用力稍强，所以通常人们把氢键看作是一种比较强的分子间作用力。

二、氢键与共价键分子间作用力的不同

氢键与共价键及分子间作用力的不同点主要表现在饱和性和方向性：

饱和性：分子中每一个X—H键只能与一个另外分子中有强吸引电子能力的原子Y形成氢键，即一个氢原子不能同时形成两个氢键。这是由于氢原子非常小，其周围没有足够的空间与第二个Y原子结合，并且负离子之间会相互排斥，此为其饱和性。

方向性： 同时，X—H…Y在同一直线上，由于氢原子很小，Y一般有孤对电子，其方向在可能的范围内要与氢键的键轴一致。只有当X—H…Y在同一直线上，作用力才最强烈，此即其方向性。而分子间作用力却没有方向性与饱和性。

氢键的饱和性和方向性

三、氢键的键能与键长

氢键的键能是指破坏H…Y键所需要的能量。氢键的强弱与X和Y的吸引电子能力强弱有关，吸引电子能力越强氢键越强；氢键的强弱还和Y的半径大小有关，半径越小就越能接近X—H，所成氢键也就越强。因此F—H…F是最强的氢键，O—H…O次之，O—H…N又次之，N—H…N更次之。常见氢键的强弱顺序为：

F—H…F>F—H…O>O—H…O>O—H…N>N—H…N

氢键的键长是指X—H…Y，中X与Y原子的核间距离。在HF缔合而成的（HF）n缔合分子中，氢键的键长为255pm，而共价键（F—H间）键长为92pm。由此可得出，H…F间的距离为163pm。可见氢原子与另一个HF分子中的氟原子相距是较远的。

四、 氢键的分类

氢键可分为分子内氢键和分子间氢键两大类。一个分子的X—H键与另一个分子的Y相结合而成的氢键，称为分子间氢键。例如，水、液氨、甲酸等存在分子间氢键。除这种同类分子间的氢键外，不同类分子间也可形成氢键。

在某些分子如邻羟基苯甲醛中羟基O—H也可与醛基的氧原子形成氢键：这种一个分子的X—H键与它内部的Y相结合而成的氢键，称为分子内氢键。由于受环状结构中其它原子的键角的限制，分子内氢键X—H…Y不能在同一条直线上，分子内氢键的形成会使分子钳环化。

显然，分子的缔合作用，是由于分子间氢键的形成；分子的钳环化，则是由于形成分子内氢键所致。

邻羟基苯甲酸：分子内氢键

氟化氢：分子间氢键

五、氢键的形成对化合物性质的影响

（1）对熔点、沸点的影响

分子间氢键的形成使物质的熔沸点升高。液体气化，必须破坏大部分分子间氢键，要使晶体气化，也要破坏一部分分子间氢键，这都需要较多的能量。所以形成了分子间氢键的化合物的熔沸点要比没有形成氢键的同类化合物的熔沸点要高。如氧族元素，H₂Te、H₂Se、H₂S随相对分子质量的减小，分子间作用力减弱，因而熔沸点依次降低.然而H₂O由于分子间氢键的形成，分子间作用力骤然增强，从而改变了本族氢化物熔沸点依次降低的趋势，熔沸点猛升，卤族中的HF和氮族中的NH₃也有类似情况。

水，氟化氢，氨气由于分子间氢键存在导致沸点升高，熔沸点主要跟分子间作用力有关

（2）氢键对物质溶解度的影响：

氢键的存在使物质在水中的溶解度增大。例如：NH₃极易溶于水，主要是因为氨分子和水分子之间形成了氢键。再如乙醇、低级醛易溶于水，也是因为它们能与水分子形成氢键。

（3）氢键对密度的影响

冬天河流结冰，冰浮在水面上，保证了水下温度不至于太低，说明冰的密度比水的小。为了解决这个问题，我们来看液体水中的氢键和冰中的氢键。

由于水分子间有氢键结合这样的结构所决定的四面体结构。根据近代X射线的研究，证明了冰具有四面体的晶体结构。这个四面体是通过氢键形成的，是一个敞开式的开阔结构，因为五个水分子不能把全部四面体的体积占完，在冰中氢键把这些四面体联系起来，成为一个整体。这种通过氢键形成的定向有序排列，空间利用率较小，约占34%，因此冰的密度较小，约为摄氏4度时液态水的92%。

冰融化时拆散了大量的氢键，使整体化为四面体集团和零星的较小的“水分子组”(即由氢键结合形成的一些缔合分子)，故液态水已经不像冰那样完全是有序排列了，而是有一定程度的无序排列，即水分子间的距离不象冰中那样固定，H₂O分子可以由一个四面体的微晶进入另一微晶中去。这样分子间的空隙减少，密度相对冰就增大了。

温度升高时，水分子的四面体集团不断被破坏，分子无序排列增多，使密度增大。但同时，分子间的热运动也增加了分子间的距离，使密度又减小。这两个矛盾的因素在4℃时达到平衡，因此，在4℃时水的密度最大。过了4℃后，分子的热运动使分子间的距离增大的因素，就占优势了，水的密度又开始减小。

（4）分子内氢键与分子间氢键对物质性质的不同影响：

氢键既可以存在于分子内部的原子之间，也可以存在于分子间的原子之间，只不过这两种情况对物质性质的影响程度是不一样的。例如，邻羟基苯甲醛存在分子内氢键，熔点为2℃，沸点为196.5℃；对羟基苯甲醛存在分子间氢键，熔点为115℃，沸点为250℃。由此可见，分子间氢键使物质的熔、沸点更高。

六、氢键的存在

水、醇、羧酸、酰胺、氨基酸、蛋白质等物质中都存在氢键；生命体中许多大分子内也存在氢键而且对生命物质的高级结构和生物活性具有重要的意义。如氢键是蛋白质具有生物活性的高级结构的重要原因，DNA双螺旋的两个螺旋链也是以氢键相互结合的。