氫鍵在高中化學中的應用詳解

1。氫鍵的形成及其本質

與吸引電子能力極強的元素（F、O、N等）相結合的氫原子，由於鍵的極性太強，使共用電子對極大地偏向於吸引電子能力強的原子，而氫原子幾乎成了不帶電子、半徑極小的帶正電的核，它會受到相鄰分子中吸引電子能力強、半徑較小的原子中孤對電子的強烈吸引，而在其間表現出較強的作用力，這種作用力就是氫鍵。一般表示為X—H…Y，其中氫原子與Y原子之間的結合力就是氫鍵（以H…Y表示）。

氫鍵的形成

氫鍵本質上也是一種靜電作用，其鍵能一般在41。84 kJ/mol以下，比化學鍵的鍵能要小得多，比分子間作用力稍強，所以通常人們把氫鍵看作是一種比較強的分子間作用力。

2。 氫鍵與共價鍵及分子間作用力的不同點主要表現在飽和性和方向性：

飽和性：分子中每一個X—H鍵只能與一個另外分子中有強吸引電子能力的原子Y形成氫鍵，即一個氫原子不能同時形成兩個氫鍵。這是由於氫原子非常小，其周圍沒有足夠的空間與第二個Y原子結合，此為其飽和性。

方向性： 同時，X—H…Y在同一直線上，由於氫原子很小，Y一般有孤對電子，其方向在可能的範圍內要與氫鍵的鍵軸一致。只有當X—H…Y在同一直線上，作用力才最強烈，此即其方向性。而分子間作用力卻沒有方向性與飽和性。

氫鍵飽和性與方向性

3。氫鍵的鍵能與鍵長

氫鍵的鍵能是指破壞H…Y鍵所需要的能量。氫鍵的強弱與X和Y的吸引電子能力強弱有關，吸引電子能力越強氫鍵越強；氫鍵的強弱還和Y的半徑大小有關，半徑越小就越能接近X—H，所成氫鍵也就越強。因此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。常見氫鍵的強弱順序為：

F—H…F>F—H…O>O—H…O>O—H…N>N—H…N

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。可見氫原子與另一個HF分子中的氟原子相距是較遠的。

4。氫鍵的分類

氫鍵可分為分子內氫鍵和分子間氫鍵兩大類。一個分子的X—H鍵與另一個分子的Y相結合而成的氫鍵，稱為分子間氫鍵。例如，水、液氨、甲酸等存在分子間氫鍵。除這種同類分子間的氫鍵外，不同類分子間也可形成氫鍵。

在某些分子如鄰羥基苯甲醛中羥基O—H也可與醛基的氧原子形成氫鍵： 這種一個分子的X—H鍵與它內部的Y相結合而成的氫鍵，稱為分子內氫鍵。由於受環狀結構中其它原子的鍵角的限制，分子內氫鍵X—H…Y不能在同一條直線上，分子內氫鍵的形成會使分子鉗環化。

顯然，分子的締合作用，是由於分子間氫鍵的形成；分子的鉗環化，則是由於形成分子內氫鍵所致。

氫鍵的分類

5。氫鍵的形成對化合物性質的影響

氫鍵的形成對化合物的物理和化學性質具有重要影響。

（1）對熔點、沸點的影響

分子間氫鍵的形成使物質的熔沸點升高。液體氣化，必須破壞大部分分子間氫鍵，要使晶體氣化，也要破壞一部分分子間氫鍵，這都需要較多的能量。所以形成了分子間氫鍵的化合物的熔沸點要比沒有形成氫鍵的同類化合物的熔沸點要高。如氧族元素，H2Te、H2Se、H2S隨相對分子質量的減小，分子間作用力減弱，因而熔沸點依次降低。然而H2O由於分子間氫鍵的形成，分子間作用力驟然增強，從而改變了本族氫化物熔沸點依次降低的趨勢，熔沸點猛升，鹵族中的HF和氮族中的NH3也有類似情況。

氫鍵對沸點影響

分子內氫鍵的形成使物質的熔沸點降低。例如鄰、間、對硝基苯酚的熔點分別為：45℃、96℃、114℃。為什麼間位、對位硝基苯酚的熔點較高，而鄰硝基苯酚的熔點較低呢？這是由於間位、對位硝基苯酚中存在分子間氫鍵，熔化時必須破壞其中的一部分氫鍵，所以熔點較高；而鄰硝基苯酚中已構成分子內氫鍵，形成分子間氫鍵就少了，所以熔點較低。

（2）對溶解度的影響

如果溶質分子與溶劑分子之間可以形成氫鍵，則溶質在極性溶劑中的溶解性增大；如果溶質分子鉗環化，即形成分子內氫鍵，則在極性溶劑中的溶解度降低。如鄰硝基苯酚和對硝基苯酚二者在水中的溶解度之比為0。39，顯然前者溶解度較小，這是因為鄰硝基苯酚的羥基透過氫原子能與其鄰位上硝基的氧原子鉗環化，形成分子內氫鍵，就不能再同水中的氧原子形成分子間氫鍵，因此溶解度小；而對硝基苯酚的羥基，能同水的氧原子形成分子間氫鍵，促使其在水中的溶解，因此溶解度大。鉗環化的化合物在非極性溶劑中的溶解度，與上述情況相反。