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我们知道,氢键像共价键一样也是存在方向性和饱和性的。什么是方向性和饱和性呢?每个原子所能形成共价键的数目取决于该原子中的单电子数目,这就是共价键的饱和性。成键时,两原子轨道重叠愈多,两核间电子云愈密集,形成的共价键愈牢固,这称为原子轨道最大重叠原理,因此一般共价键具有方向性。也就是说,形成共价键和氢键的时候,既有空间上的一定取向,也有一定的数目限制要求。
如何计算氢键数目呢?
均摊法常用在晶体有关分析及计算中:如果一个微粒被n个晶胞共享,那么它属于每一个晶胞的只有1/n,这种方法称为均摊法。
根据冰的结构,每个水分子与周围的4个水分子形成氢键。但是每两个水分子共用1个氢键了,氢键数目= 4×1/2 = 2,即因此1mol水分子(冰))分子间实际均摊有2mol氢键。
我们来看看氨分子间的氢键。固态氨分子中的每个 H 均参与一个氢键的形成,每一个 H 原子直接与两个 N 原子邻接,根据均摊法,每一个 H 原子将会给它周围的每一个 N 原子贡献 1/2 个 H 原子。在整体化学式为 NH₃ 的氨晶体中,每个 N 原子均分后应有 3 个 H 原子与其相邻,因此在均分前的晶体结构中,每个 N 原子应与六个 H 原子邻接。每个 H 原子均参与一个氢键的形成,显然,每个氢键也均只由一个 H 原子参与形成,根据均摊法,每个氨分子均分得到三个 H 原子,也即每个氨分子均分得到 3 个氢键,这也就是说,1 mol 氨中均摊有 3 mol 氢键。
我们分析的氢键的数目是物质在晶体状态时的数目。当晶体状态发生变化(生成液体、气体)时,氢键是在不同程度的被破坏了。所以,单独说液态水、氨气分子间的氢键数目是不准确的。
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