氢键 氢键 Hydrogen Bonding 与负电性大的原子X(氟、氯、氧、氮等)共价结合的氢,如与负电性大的原子Y(与X相同的也可以)接近,在X与Y之间以氢为媒介,生成X-H…Y形的键。这种键称为氢键。氢键的结合能是2—8千卡(Kcal)。 因多数氢键的共同作用,所以非常稳定。在a-螺旋的情况下是N-H…O型的氢键,DNA的双螺旋情况下是N-H…O,N-H…N型的氢键,因为这样氢键很多,因此这些结构是稳定的,此外,水和其他溶媒是异质的,也由于在水分子间生成O-H…O型氢键。因此,这也就成为疏水结合形成的原因。 一、氢键的形成 1、同种分子之间 现以HF为例说明氢键的形成。在HF分子中,由于F的电负性(4。0)很大,共用电子对强烈偏向F原子一边,而H原子核外只有一个电子,其电子云向F原子偏移的结果,使得它几乎要呈质子状态。这个半径很小、无内层电子的带部分正电荷的氢原子,使附近另一个HF分子中含有孤电子对并带部分负电荷的F原子有可能充分靠近它,从而产生静电吸引作用。 这个静电吸引作用力就是所谓氢键。 2、不同种分子之间 不仅同种分子之间可以存在氢键,某些不同种分子之间也可能形成氢键。例如 NH3与H2O之间。 3、氢键形成的条件 ⑴ 与电负性很大的原子A 形成强极性键的氢原子 。 ⑵ 较小半径、较大电负性、含孤电子对、带有部分负电荷的原子B (F、O、N) 氢键的本质: 强极性键(A-H)上的氢核, 与电负性很大的、含孤电子对并带有部分负电荷的原子B之间的静电引力。 ⑶ 表示氢键结合的通式 氢键结合的情况如果写成通式,可用X-H…Y①表示。式中X和Y代表F,O,N等电负性大而原子半径较小的非金属原子。 X和Y可以是两种相同的元素,也可以是两种不同的元素。 ⑷ 对氢键的理解 氢键存在虽然很普遍,对它的研究也在逐步深入,但是人们对氢键的定义至今仍有两种不同的理解。 第一种把X-H…Y整个结构叫氢键,因此氢键的键长就是指X与Y之间的距离,例如F-H…F的键长为255pm。 第二种把H…Y叫做氢键,这样H…F之间的距离163pm才算是氢键的键长。这种差别,我们在选用氢键键长数据时要加以注意。 不过,对氢键键能的理解上是一致的,都是指把X-H…Y-H分解成为HX和HY所需的能量。 (5)氢键的饱和性和方向性 氢键不同于范德华引力,它具有饱和性和方向性。由于氢原子特别小而原子A和B比较大,所以A—H中的氢原子只能和一个B原子结合形成氢键。同时由于负离子之间的相互排斥,另一个电负性大的原子B′就难于再接近氢原子。这就是氢键的饱和性。 氢键具有方向性则是由于电偶极矩A—H与原于B的相互作用,只有当A—H---B在同一条直线上时最强,同时原子B一般含有未共用电子对,在可能范围内氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致,这样可使原于B中负电荷分布最多的部分最接近氢原子,这样形成的氢键最稳定。 二、氢键的强度 氢键的牢固程度——键强度也可以用键能来表示。粗略而言,氢键键能是指每拆开单位物质的量的H…Y键所需的能量。氢键的键能一般在42kJ·mol-1以下,比共价键的键能小得多,而与分子间力更为接近些。例如, 水分子中共价键与氢键的键能是不同的。 而且,氢键的形成和破坏所需的活化能也小,加之其形成的空间条件较易出现,所以在物质不断运动情况下,氢键可以不断形成和断裂。 三、分子内氢键 某些分子内,例如HNO3、邻硝基苯酚分子可以形成分子内氢键。分子内氢键由于受环状结构的限制,X-H…Y往往不能在同一直线上。 四、氢键形成对物质性质的影响 氢键通常是物质在液态时形成的,但形成后有时也能继续存在于某些晶态甚至气态物质之中。例如在气态、液态和固态的HF中都有氢键存在。能够形成氢键的物质是很多的,如水、水合物、氨合物、无机酸和某些有机化合物。氢键的存在,影响到物质的某些性质。 1、熔点、沸点 分子间有氢键的物质熔化或气化时,除了要克服纯粹的分子间力外,还必须提高温度,额外地供应一份能量来破坏分子间的氢键,所以这些物质的熔点、沸点比同系列氢化物的熔点、沸点高。分子内生成氢键,熔、沸点常降低。例如有分子内氢键的邻硝基苯酚熔点(45℃)比有分子间氢键的间位熔点(96℃)和对位熔点(114℃)都低。 2、溶解度 在极性溶剂中,如果溶质分子与溶剂分子之间可以形成氢键,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。 3、粘度 分子间有氢键的液体,一般粘度较大。例如甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物,由于分子间可形成众多的氢键,这些物质通常为粘稠状液体。 4、密度 液体分子间若形成氢键,有可能发生缔合现象,例如液态HF,在通常条件下,除了正常简サ腍F分子外,还有通过氢键联系在一起的复杂分子(HF)n。 nHF(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分子而又不会改变原物质化学性质的现象,称为分子缔合。 分子缔合的结果会影响液体的密度。 5、氢键形成对物质性质的影响 分子间氢键使物质的熔点(m。p)、沸点(b。p)、溶解度(S)增加,分子内氢键对物质的影响则反之。 以 HF 为例, F 的电负性相当大, 电子对偏向 F, 而 H 几乎成了质子, 这种 H 与其它分子中电负性相当大、r 小的原子相互接近时, 产生一种特殊的分子间力 —— 氢键。 表示为···· : F-H····F-H 两个条件: 1。与电负性大且 r 小的原子(F, O, N)相连的 H ; 2。 在附近有电负性大, r 小的原子(F, O, N)。 2。 氢键的特点 1°饱和性和方向性 由于 H 的体积小, 1 个 H 只能形成一个氢键。 由于 H 的两侧电负性极大的原子的负电排斥, 使两个原子在 H 两侧呈直线排列。 除非其它外力有较大影响时, 才可能改变方向。 2°氢键的强度 介于化学键和分子间作用力之间, 和电负性有关。 --- F-H ···· F O — H ···· O N-H····N E/kJ·mol- 3。 氢键对于化合物性质的影响 分子间存在氢键时, 大大地影响了分子间的结合力, 故物质的熔点、沸点将升高。 CH3CH2-OH 存在分子间氢键,而分子量相同的 H3C-O-CH3 无氢键,故前者的 b。p。 高。 HF、HCl、HBr、HI , 从范德华力考虑, 半径依次增大, 色散力增加, b。 p。 高, 故 b。 P。 为 HI > HBr > HCl, 但由于 HF 分子间有氢键,故 HF 的b。p。 在这里最高, 破坏了从左到右 b。p。 升高的规律。 H2O, NH3 由于氢键的存在, 在同族氢化物中 b。p。 亦是最高。 H2O 和 HF 的分子间氢键很强, 以致于分子发生缔合, 以(H2O)2、 (H2O)3、(HF)2、(HF)3 形式存在, 而 (H2O)2 排列最紧密, 4℃时, (H2O)2 比例最大, 故 4℃ 时水的密度最大。 可以形成分子内氢键时, 势必削弱分子间氢键的形成。 故有分子内氢键的化合物的沸点、熔点不是很高。 。