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氢键的形成、特点及对物质性质的影响

来源:未知作者:陈万 点击:所属专题: 氢键
氢键是一种存在于分子之间也存在分子内部的作用力,它比化学键弱,又比范德华尔力强。 1、氢键的形成 在HF分子中,H和F原子以共价键结合,但因F原子的电负性大,电子云强烈偏向F原子一方,结果使H原子一端显正电性。由于H原子半径很小,又只有一个电子,当电子强烈地偏

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氢键是一种存在于分子之间也存在分子内部的作用力,它比化学键弱,又比范德华尔力强。

1、氢键的形成

在HF分子中,H和F原子以共价键结合,但因F原子的氢键的形成、特点及对物质性质的影响电负性大,氢键的形成、特点及对物质性质的影响电子云强烈偏向F原子一方,结果使H原子一端显正电性。由于H原子半径很小,又只有一个电子,当电子强烈地偏向F原子后,H原子几乎成为一个“裸露”的质子,因此正电荷密度很高,可以和相邻的HF分子中的F原子产生静电吸引作用,形成氢键。氟化氢的氢键表示为F-H……F(图7-30)

氢键的形成、特点及对物质性质的影响

不仅同种分子间可形成氢键,不同种分子间也可以形成氢键,NH3和H2O间的氢键如下:

氢键的形成、特点及对物质性质的影响

氢键通常用表示X-H……Y,X和Y代表F、O、N等电负性大,半径较小的原子。

除了分子间的氢键外,某些物质的分子也可以形成分子内氢键如:邻硝基苯酚、NaHCO3晶体等。(见图7-31)

氢键的形成、特点及对物质性质的影响

    总之,分子欲形成氢键必须具备两个基本条件,其一是分子中必须有一个与电负性很强的元素形成强极性键的氢原子。其二是分子中必须有带孤电子对,电负性大,而且原子半径小的元素。

2、氢键的特点:

(1)氢键具有方向性。它是指Y原子与X-Y形成氢键时,尽可能使氢键的方向与X-H键轴在同一条直线上,这样可使X与Y的距离最远,两原子电子云间的斥力最小,因此形成的氢键愈强,体系愈稳定。

(2)氢键具有饱和性。它是指每一个X-H只能与一个Y原子形成氢键。这是因为氢原子的半径比X和Y的原子半径小很多,当X-H与一个Y原子形成氢键X-H……Y之后,如有另一个极性分子Y原子接近时,则这个原子受到X、Y强烈排斥,其排斥力比受正电荷的H的吸引力大,故这个H原子未能形成第二个氢键。

3、氢键的氢键的形成、特点及对物质性质的影响键长氢键的形成、特点及对物质性质的影响键能

氢键不同于化学键,其键能小,键长较长。氢键的键能主要与X、Y的电负性有关,还与存在于不同化合物有关。一般,电负性越大,氢键越强;氢键的键能还与Y的原子半径有关,半径越小,键能越大。如F-H……F为最强的氢键,O-H……O,O-H……N,N-H……N的强度依次减弱,Cl的电负性与N相同,但半径比N大,只能形成很弱的氢键O-H……Cl、Br、I不能形成氢键。

4、氢键对物质性质的影响

氢键广泛存在,如水、醇、酚、酸、羧酸、氨、胺。氨基酸、蛋白质、碳水化合物等许多化合物都存在氢键。氢键对物质的影响也是多方面的。

(1)对物质熔、沸点的影响。分子间形成氢键使物质的熔沸点升高。如图7-32这是由于要使液体气化或使固体液化都需要能量去破坏分子间氢键的缘故。

凡是与熔、沸点有关的性质如熔化热、汽化热、蒸气压等的变化情况都与上面讨论的情况相似。

分子内形成氢键,常使其熔、沸点低于同类化合物的熔、沸点。

(2)对水和冰密度的影响。水除了熔、沸点显著高于同族外,还有另一个反常现象,就是它在4℃ 时密度最大。这是因为在4 ℃以上时,分子的热运动是主要的,使水的体积膨胀,密度减小;在4℃ 以下时,分子间的热运动降低,形成氢键的倾向增加,形成分子间氢键越多,分子间的空隙越大。当水结成冰时,全部水分子都以氢键连接,形成空旷的结构。见图7-23


氢键的形成、特点及对物质性质的影响

 

在冰中每个H原子都参与形成氢键,结果使水分子按四面体分布,每个氧原子周围都有四个氢。这样的结构空旷3,密度也降低3。

(3)对物质溶解度的影响。在极性溶剂中,如果溶质分子与溶剂分子之间形成氢键,则溶质的溶解度增大。如HF、NH3极易溶于水。如果溶质分子形成分子内氢键,在极性溶剂中溶解度减小,而在非极性溶剂中溶解度增大。

(4)对蛋白质构型的影响。在多肽链中由于>C=O和>N-H 可形成大量的氢键(N-H……O),使蛋白质分子按螺旋方式卷曲成立体构型,称为蛋白质的二级结构(见图7-34)。可见氢键对蛋白质维持一定空间构型起着重要作用。

(5)对物质酸性的影响。分子内形成氢键,往往使酸性增强。如:苯甲酸Ka=6.2×10-12;若在邻位上代有羟基,得邻羟基苯甲酸的Ka=9.9×10-11,如在羧基左右两边都代上羟基,得到的2,6-二羟基苯甲酸的Ka=5×10-9,这是由于羧基(-OH)上的氢与羧基(-COOH)上的氧形成了分子内氢键,从而促进了氢的解离。

(责任编辑:化学自习室)
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