氫原子與電負性很大、半徑很小的原子X(F,O,N)以共價鍵形成強極性鍵H-X,這個氫原子還可以吸引另一個鍵上具有孤對電子、電負性大、半徑小的原子Y,形成具有X-H…Y形式的物質.這時氫原子與y 原子之間的定向吸引力叫做氫鍵(以H…Y表示).
氫鍵的本質一般認為主要是靜電作用.在X-H…Y中,X-H是強極性共價鍵,由於X的電負性很大,吸引電子能力強,使氫原子變成一個幾乎沒有電子雲的“裸露”的質子而帶部分正電荷.它的半徑特別小,電場強度很大,又無內層電子,可以允許另一個帶有部分負電荷的Y原子(即電負性大,半徑小且有孤對電子的原子)充分接近它,從而產生強烈的靜電相互作用而形成氫鍵.
一般分子形成氫鍵必須具備兩個基本條件:
1.分子中必須有一個與電負性很強的元素形成強極性鍵的氫原子.
2.分子中必須有帶孤對電子,電負性大,原子半徑小的元素.
氫鍵常在同類分子或不同類分子之間形成,叫做分子間氫鍵,如氟化氫、氨水:
二、氫鍵的鍵長和鍵能
氫鍵的鍵長是指X-H…Y中X與Y原子的核間距離.在HF締合而成的(HF)n締合分子中,氫鍵的鍵長為255pm,而共價鍵(F-H間)鍵長為92pm.由此可得出,H…F間的距離為163pm(255-92).可見氫原子與另一個HF分子中的F原子相距是較遠的.
氫鍵的鍵能是指被破壞H…Y鍵所需要的能量.氫鍵的鍵能約為15-30kJ·mol-1,比一般化學鍵的鍵能小得多,和範德華力的數量級相同.氫鍵的強弱與X和Y的電負性大小有關.電負性越大,氫鍵的強弱還和Y的半徑大小有關,y 的半徑越小,越能接近H-X鍵,形成的氫鍵也越強.例如F的電負性最大,半徑又小,所以F-H…F是最強的氫鍵,O-H…O次之,O-H…N又次之,N-H…N更次之.
三、氫鍵的飽和性和方向性
氫鍵具有飽和性和方向性.氫鍵的飽和性表現在X-H只能和一個Y原子相對合.因為H原子體積小,X、Y都比氫大,所以當有另一個Y原子接近他們時,這個Y原子受到X-H…Y上X和Y的排斥力大於受到H原子的吸引力,使得X-H…Y上的氫原子不能再和第二個Y原子結合,這就是氫鍵的飽和性.
氫鍵的方向性是指Y原子與X-H形成氫鍵時,在儘可能的範圍內要使氫鍵的方向與X-H鍵軸在同一個方向,即以H原子為中心三個原子儘可能在一條直線上.氫原子儘量與Y原子的孤對電子方向一致,這樣引力較大;三個原子儘可能在一條直線上,可使X與Y的距離最遠,斥力最小,形成的氫鍵強.
四、氫鍵對物質性質的影響.
(一)對沸點和熔點的影響
在同類化合物中,能形成分子間氫鍵的物質,其熔點、沸點要比不能形成分子間氫鍵的物質的熔點、沸點高些.因為要使固體熔化或液體汽化,不僅要破壞分子間的範德華力,還必須提供額外的能量破壞氫鍵.H2O,HF,NH3的熔點和沸點比同族同類化合物為高(見表4-3),因為它們都可形成分子間氫鍵.
表4-3 H2O,HF,NH3及其同族同類化合物的熔、沸點
化合物 mp/℃ bp/℃ 化合物 mp/℃ bp/℃ 化合物 mp/℃ bp/℃
H2O 0 100 HF -80.3 19.5 NH3 -77.7 -33.4
H2S -85.6 -60.7 HCL -112 -84 PH3 -133.5 -87.4
H2Se -64 -42 HBr -88 -67.0 AsH3 -116 -62
H2Te -48 -1.8 HI -50.9 -35.4 SbH3 -88 -17
(二)對溶解度的影響
在極性溶劑中,如果溶質分子和溶劑分子之間可以形成氫鍵,則溶質的溶解度增大.例如,苯胺和苯酚在水中的溶解度比在硝基苯中的溶解度要大.
因此水分子內是不存在氫鍵的,氫鍵是在水分子之間,連線若干個水分子的.水分子內兩個氫並不相連,其中一個與氧共價相連後再與另外一個氫共價相連.
氫原子與電負性很大、半徑很小的原子X(F,O,N)以共價鍵形成強極性鍵H-X,這個氫原子還可以吸引另一個鍵上具有孤對電子、電負性大、半徑小的原子Y,形成具有X-H…Y形式的物質.這時氫原子與y 原子之間的定向吸引力叫做氫鍵(以H…Y表示).
氫鍵的本質一般認為主要是靜電作用.在X-H…Y中,X-H是強極性共價鍵,由於X的電負性很大,吸引電子能力強,使氫原子變成一個幾乎沒有電子雲的“裸露”的質子而帶部分正電荷.它的半徑特別小,電場強度很大,又無內層電子,可以允許另一個帶有部分負電荷的Y原子(即電負性大,半徑小且有孤對電子的原子)充分接近它,從而產生強烈的靜電相互作用而形成氫鍵.
一般分子形成氫鍵必須具備兩個基本條件:
1.分子中必須有一個與電負性很強的元素形成強極性鍵的氫原子.
2.分子中必須有帶孤對電子,電負性大,原子半徑小的元素.
氫鍵常在同類分子或不同類分子之間形成,叫做分子間氫鍵,如氟化氫、氨水:
二、氫鍵的鍵長和鍵能
氫鍵的鍵長是指X-H…Y中X與Y原子的核間距離.在HF締合而成的(HF)n締合分子中,氫鍵的鍵長為255pm,而共價鍵(F-H間)鍵長為92pm.由此可得出,H…F間的距離為163pm(255-92).可見氫原子與另一個HF分子中的F原子相距是較遠的.
氫鍵的鍵能是指被破壞H…Y鍵所需要的能量.氫鍵的鍵能約為15-30kJ·mol-1,比一般化學鍵的鍵能小得多,和範德華力的數量級相同.氫鍵的強弱與X和Y的電負性大小有關.電負性越大,氫鍵的強弱還和Y的半徑大小有關,y 的半徑越小,越能接近H-X鍵,形成的氫鍵也越強.例如F的電負性最大,半徑又小,所以F-H…F是最強的氫鍵,O-H…O次之,O-H…N又次之,N-H…N更次之.
三、氫鍵的飽和性和方向性
氫鍵具有飽和性和方向性.氫鍵的飽和性表現在X-H只能和一個Y原子相對合.因為H原子體積小,X、Y都比氫大,所以當有另一個Y原子接近他們時,這個Y原子受到X-H…Y上X和Y的排斥力大於受到H原子的吸引力,使得X-H…Y上的氫原子不能再和第二個Y原子結合,這就是氫鍵的飽和性.
氫鍵的方向性是指Y原子與X-H形成氫鍵時,在儘可能的範圍內要使氫鍵的方向與X-H鍵軸在同一個方向,即以H原子為中心三個原子儘可能在一條直線上.氫原子儘量與Y原子的孤對電子方向一致,這樣引力較大;三個原子儘可能在一條直線上,可使X與Y的距離最遠,斥力最小,形成的氫鍵強.
四、氫鍵對物質性質的影響.
(一)對沸點和熔點的影響
在同類化合物中,能形成分子間氫鍵的物質,其熔點、沸點要比不能形成分子間氫鍵的物質的熔點、沸點高些.因為要使固體熔化或液體汽化,不僅要破壞分子間的範德華力,還必須提供額外的能量破壞氫鍵.H2O,HF,NH3的熔點和沸點比同族同類化合物為高(見表4-3),因為它們都可形成分子間氫鍵.
表4-3 H2O,HF,NH3及其同族同類化合物的熔、沸點
化合物 mp/℃ bp/℃ 化合物 mp/℃ bp/℃ 化合物 mp/℃ bp/℃
H2O 0 100 HF -80.3 19.5 NH3 -77.7 -33.4
H2S -85.6 -60.7 HCL -112 -84 PH3 -133.5 -87.4
H2Se -64 -42 HBr -88 -67.0 AsH3 -116 -62
H2Te -48 -1.8 HI -50.9 -35.4 SbH3 -88 -17
(二)對溶解度的影響
在極性溶劑中,如果溶質分子和溶劑分子之間可以形成氫鍵,則溶質的溶解度增大.例如,苯胺和苯酚在水中的溶解度比在硝基苯中的溶解度要大.
因此水分子內是不存在氫鍵的,氫鍵是在水分子之間,連線若干個水分子的.水分子內兩個氫並不相連,其中一個與氧共價相連後再與另外一個氫共價相連.