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关于氢键的问题讨论

来源:未知作者:王笃年 点击:所属专题: 氢键
1、氢键是一种怎样的作用力?为何要特别提出氢键这个概念? “氢键”不是化学键,它只是一类较强的分子间作用力.氢键概念的提出,是科学家在研究物质结构与性质关系的过程中,发现新问题、解决新问题的创造性思维的体现. 让我们以第ⅣA~ⅦA族元素氢化物沸点(表1

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1、氢键是一种怎样的作用力?为何要特别提出氢键这个概念?

“氢键”不是化学键,它只是一类较强的分子间作用力.氢键概念的提出,是科学家在研究物质结构与性质关系的过程中,发现新问题、解决新问题的创造性思维的体现.

让我们以第ⅣA~ⅦA族元素氢化物沸点(表1)递变规律为例,初步说明科学家提出氢键学说的思维过程.

关于氢键的问题讨论

把上述有关数据描点连线,得到直观的图象,如图1所示.

关于氢键的问题讨论

可以看到:碳族元素氢化物的沸点随相对分子质量的增大而逐渐升高.这比较容易理解,因为碳族元素氢化物分子均为非极性分子(极性相同),且分子均为正四面体型结构(分子形状也相同),其分子间作用力的强弱只与相对分子质量有关.

氮族、氧族、卤族元素的氢化物除第二周期外,其他各周期元素氢化物的沸点也随相对分子质量的增大而逐渐升高,唯独第二周期元素氢化物沸点“反常(突出地高)”.这似乎可用分子的极性强来解释(相对于相对分子质量的影响,分子极性所起作用占主导地位).但科学家综合考虑其他一些类似含氢化合物的各方面性质,提出了氢键学说:当 H 原子与电负性很大、半径很小的 X(F、O、N)原子结合时,电子云被对方强烈吸引,变成一个“几乎裸露的质子”,它能与另一个电负性很大(吸引了其他原子的电子云)且外层有孤对电子的Y(F、O、N 等)原子产生较强的相互作用,形成 X-H…Y结构,此结构称为氢键.氢键的强度远不如共价键,但比一般分子间作用力强得多.这样,运用氢键学说,就能很好地解释处于第二周期的 N、O、F的氢化物沸点远高于同主族其他元素氢化物的事实.

2、氢键的形成,对物质的性质产生怎样的影响?

a)对物质的熔点、沸点有影响.自身分子间可形成氢键的物质,其熔、沸点往往比与其相对分子质量差不多的物质高出许多

除前文所述氢化物外,还可列举很多例子:醇类(R-OH)、羧酸类化合物(R-COOH)和相对分子质量与之相当的烃类( CxHy)比,熔点、沸点高出很多,原因就是其分子中既有原子半径小、电负性大的氧原子,又有与氧原子直接相连的氢原子,容易形成分子间氢键.

硫酸是一种难挥发性的酸,说明其沸点极高.从其分子结构

关于氢键的问题讨论

可知,硫酸分子中含有4个 O 原子和2个与 O 原子相连的 H 原子,符合氢键的形成条件,分子间可形成大量氢键.

b)对物质的溶解性有影响.能够彼此形成氢键的物质之间,容易相互溶解.如果某物质的分子可以与H2O 形成氢键,则该物质易溶于水.

如 NH3具有非常大的溶解性,就可以用氢键理论 加 以 解 释. 再 如,乙 醇 (C2H5-OH)、乙 酸(CH3COOH)、硫酸(HO-SO2-OH)等结构中含有羟基(-OH)的小分子化合物,都能够以任意比例溶解于水,因为它们的分子与H2O 间极易形成氢键.有机小分子乙醛(CH3CHO)的性质,也可运用上述两方面的论述.

乙醛的结构为

关于氢键的问题讨论

它有一个电负性大而半径小的 O 原子,但是没有与 O 原子直接相连的 H 原子,故乙醛自身分子间难以形成氢键,所以和 乙 醇 (沸 点 78.5 ℃)相 比,乙 醛 的 沸 点 很低,只有不到21℃;但是,乙醛分子里的 O 原子可以与水分子中的 H 原子形成氢键,所以乙醛能够以任意比例与 H2O 互溶.

c)对液体物质的黏度有影响.

我们知道,硫酸是一种油状液体,这说明它的流动性较差,黏度相对较大.这是为什么呢?曾有人猜测与硫酸密度大有关系,其实不然.CCl4的密度很大,但是 CCl4的流动性比硫酸、甚至比水都要好很多.硫酸等作为小分子化合物,黏度大、流动性差,正是由于分子间氢键较强的缘故.

另外,氢键的形成还会使一些小分子物质在蒸气中呈现二聚甚至多聚分子.比如水蒸气里大量存在着二聚物[(H2O)2]甚至三聚物[(H2O)3]等;醋酸蒸气中含有二聚分子[(CH3COOH)2].

3、理论上讲,氢键强度应该 是 F-H…F 比O-H…O强,但沸点却是H2O>HF,这如何理解?

让我们试着从微观层面来分析这个问题.HF分子中,虽然F原子最外层有3个孤对电子,但是每个 HF分子有1个 H 原子,故每个 HF分子只能参与形成2个氢键,平均每个 HF 分子至多形成1个氢键,如图2所示.

关于氢键的问题讨论

而 H2O 分子则不然,O 原子有2个孤对电子,且每个 H2O 分子有2个 H 原子,通过图3可以看到,每个 H2O 分子可参与4个氢键的形成,平均每个 H2O分子可形成2个氢键.也就是说,水中氢键的密度要远大于液态 HF中氢键的密度.这样,破坏 H2O 分子间氢键需要的能量就比破坏 HF分子间氢键需要的能量多.

4、分子内氢键是怎么回事?

一些较大的分子中,若同时含有N、O、F 原子以及与这些原子直接相连的H 原子,则可能形成分子内氢键.众所周知,淀粉、纤维素、蛋白质、核酸等大分子物质均以螺旋(双螺旋)形式存在,其重要原因就是这些高分子内的链节上有规律地排列着羟基(-OH)、氨基(-NH2)等,它们之间相互通过氢键作用,使得分子发生了卷曲.对于一些小分子化合物来说,如果形成分子内氢键,则往往因此影响了分子间氢键的强度,致使其熔点、沸点降低.无机化学里常常用分子内氢键学说解释 HNO3的沸点比水低. 

关于氢键的问题讨论

硝酸的结构为 HO-NO2,因为只有1个可形成氢键的H 原子,这个 H原子可能与分子内的 O 原子间形成氢键,如图4 所示,于是影响了分子间氢键的强度.故HNO3的沸点并不是非常高 (83 ℃,这比相对分子质量比它还小的水的沸点要低一些).

关于氢键的问题讨论

  

关于氢键的问题讨论

再如邻羟基苯甲醛(图5)的熔点为-7℃和对羟基苯甲醛(图6)的熔点为118℃.二者互为同分异构体,但熔点差异巨大.原因在于,邻羟基苯甲醛易形成分子内氢键,导致分子间氢键大为减弱,故熔点显著低于对羟基苯甲醛.

另外,如果溶质分子形成分子内氢键,则往往使其在水中的溶解度减小.比如 NaHCO3的溶解度就比 Na2CO3 小得多,这是因为Na2CO3 溶解后,Na、CO32可以分别与水分子发生正常的作用形成水合离子;而 HCO3则不然,它自身可以形成如图7所示的分子内氢键.这严重影响了 HCO3与 H2O 间氢 键 的 形 成, 故 而NaHCO3 的溶解度比 Na2CO3 显著减小.

另外,分子内氢键的形成对于物质的化学性质也会产生一定的影响,有兴趣的同学可以在课外学习中留意此点。

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