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。可見氫原子與另一個HF分子中的F原子相距是較遠的。
氫鍵的鍵能是指破壞H…Y鍵所需要的能量。氫鍵的鍵能為15~30kJbrmol,比一般化學鍵的鍵能小得多,與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,還與Y的半徑大小有關,電負性越大,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。形成氫鍵的3個原子中X與Y盡量遠離,其鍵角常在120°~180°,H的配位數為2。氫鍵的飽和性表現在X—H隻能和一個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原子接近它們時,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,在盡可能的範圍內使氫鍵的方向與X—H鍵軸在同一個方向,即以H原子為中心3個原子盡可能在一條直線上。氫原子盡量與Y原子的孤對電子方向一致,這樣引力較大;3個原子盡可能在一條直線上,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
1 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,因為它們都可形成分子間氫鍵。如第ⅥA族氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)的氫化物的沸點遞變規律,由H2Te,H2Se到H2S,隨分子量的遞減,分子的半徑遞減;隨分子間作用力的減小,沸點遞減。但分子量最小的H2O的沸點卻陡然升高。這是因為氧的電負性很強,H2O分子間形成了O—H…O氫鍵,所以H2O分子間作用力大於同族其他氫化物。ⅦA和ⅤA族氫化物沸點的變化規律中,HF和NH3也顯得特殊,這也是因為形成了F—H…F和N—H…N氫鍵。H2O、HF、NH、分子間的氫鍵,在固態、液態都存在,它們許多特性都可用氫鍵概念加以解釋。例如,絕大多數物質的密度,總是固態大於液態的,但H2O在0℃附近的密度卻是液態大於固態的。這是因為固態H2O(冰)分子間存在O—H…O氫鍵,使它具有空洞結構,此時冰的密度就小於水,所以冰可浮於水麵。
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。可見氫原子與另一個HF分子中的F原子相距是較遠的。
氫鍵的鍵能是指破壞H…Y鍵所需要的能量。氫鍵的鍵能為15~30kJbrmol,比一般化學鍵的鍵能小得多,與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,還與Y的半徑大小有關,電負性越大,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。形成氫鍵的3個原子中X與Y盡量遠離,其鍵角常在120°~180°,H的配位數為2。氫鍵的飽和性表現在X—H隻能和一個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原子接近它們時,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,在盡可能的範圍內使氫鍵的方向與X—H鍵軸在同一個方向,即以H原子為中心3個原子盡可能在一條直線上。氫原子盡量與Y原子的孤對電子方向一致,這樣引力較大;3個原子盡可能在一條直線上,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
1 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,因為它們都可形成分子間氫鍵。如第ⅥA族氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)的氫化物的沸點遞變規律,由H2Te,H2Se到H2S,隨分子量的遞減,分子的半徑遞減;隨分子間作用力的減小,沸點遞減。但分子量最小的H2O的沸點卻陡然升高。這是因為氧的電負性很強,H2O分子間形成了O—H…O氫鍵,所以H2O分子間作用力大於同族其他氫化物。ⅦA和ⅤA族氫化物沸點的變化規律中,HF和NH3也顯得特殊,這也是因為形成了F—H…F和N—H…N氫鍵。H2O、HF、NH、分子間的氫鍵,在固態、液態都存在,它們許多特性都可用氫鍵概念加以解釋。例如,絕大多數物質的密度,總是固態大於液態的,但H2O在0℃附近的密度卻是液態大於固態的。這是因為固態H2O(冰)分子間存在O—H…O氫鍵,使它具有空洞結構,此時冰的密度就小於水,所以冰可浮於水麵。