氫鍵相互作用

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1、分子間氫鍵相互作用氫鍵：氫鍵是種弱作用力形成特殊類型的偶極-偶極吸引力,當(dāng)氫原子鍵合到一個(gè)強(qiáng)電負(fù)性原子中存在的另一個(gè)具有孤對電子的電負(fù)性原子附近時(shí)發(fā)生。這些鍵通常比普通的偶極-偶極和色散力強(qiáng)，但比真正的共價(jià)鍵和離子鍵弱。氫鍵存在的證據(jù)：許多元素形成與氫的化合物。如果繪制4族元素與氫的化合物的沸點(diǎn)，你發(fā)現(xiàn)的沸點(diǎn)隨著族元素向下而升高。如下圖沸點(diǎn)增大的發(fā)生由于分子具有越來越多的電子放大，因此范德華色散力變得更大。如果你重復(fù)上述在5、6和7族氫元素化合物的沸點(diǎn)圖，奇特的現(xiàn)象發(fā)生了。雖然大多數(shù)情況下的趨勢與4族中的一樣，氫與各族中

2、的第一個(gè)元素的化合物的沸點(diǎn)異常高。在NH3，H2O和HF的情況下，必存在一些額外吸引的分子間作用力，需要更多的熱能來破壞。這些相對強(qiáng)大的分子間力被描述為氫鍵。形成氫鍵的起源：分子具有這種額外的鍵的是：（注：實(shí)線表示在屏幕或紙張平面內(nèi)的鍵。虛線鍵表示遠(yuǎn)離你的屏幕或紙張的背面，楔形鍵是指向你的）在每一個(gè)這些分子中注意：1.氫原子直接結(jié)合到最負(fù)電元素之一，導(dǎo)致氫原子獲得顯著量的正電荷。2.每個(gè)連接氫原子的元素不僅顯著的負(fù)電性，而且還具有至少一個(gè)“有效的”孤對。2-級的孤對有電子被包含在一個(gè)相對小的體積的空間，因此具有高密度的負(fù)

3、電荷?？紤]兩個(gè)的水分子的接近結(jié)合：δ+氫原子強(qiáng)烈吸引著孤對以致它幾乎像形成配位共價(jià)鍵一樣。它不會走那么遠(yuǎn)，但吸引力顯著比普通的偶極-偶極相互作用強(qiáng)。氫鍵有大約平均共價(jià)鍵強(qiáng)度的十分之一，并正在液態(tài)水中不斷被打破和重新形成。如果你把氧原子和氫原子間的共價(jià)鍵比喻成穩(wěn)定的婚姻，氫鍵具有“只是好朋友”的狀態(tài)。水是氫鍵的一個(gè)“完美”例子。注意每個(gè)水分子有可能與周圍的水分子形成四個(gè)氫鍵。這也確是δ+氫原子和孤對的數(shù)目，所以他們中每一個(gè)都參與氫鍵。這就是為什么水的沸點(diǎn)比氨或氟化氫更高。在氨的情況下，形成氫鍵的數(shù)目由每個(gè)氮上只有一個(gè)孤對的

4、事實(shí)所限制。在氨分子的基團(tuán)中，沒有足夠孤對滿足周圍所有氫原子。在氟化氫中，問題是缺少氫原子。在水中，孤對和氫原子的數(shù)目正好合適。水可以被認(rèn)為是“完美”的氫鍵系統(tǒng)。形成氫鍵的更復(fù)雜的例子：負(fù)離子的水合：當(dāng)離子性物質(zhì)溶解在水中，水分子簇圍繞在分離離子。這個(gè)過程稱為水合。水經(jīng)常以配位共價(jià)鍵與正離子結(jié)合，以氫鍵與負(fù)離子結(jié)合。該圖顯示了與Cl-可能形成的氫鍵。雖然氯離子的孤對是3-級的，通常不會有足夠的活性以形成氫鍵，但在此情況下，它們通過在氯的全部負(fù)電荷更具吸引力。然而復(fù)雜的負(fù)離子，總會有孤對讓水分子中氫原子結(jié)合形成氫鍵。醇中的

5、氫鍵：醇是含有-OH基團(tuán)的有機(jī)分子。具有直接連接到氧或氮上的氫原子的任何分子能夠形成氫鍵。此類分子始終具有沸點(diǎn)高于其不具有-OH或-NH基團(tuán)同樣大小的分子。氫鍵使分子“粘性”，分離它們就需要更多的熱能。乙醇，CH3CH2-O-H，和甲氧基甲烷，CH3-O-CH3，具有相同的分子式C2H6O。它們具有相同數(shù)目的電子和類似長度的分子。每個(gè)的范德華吸引力（包括色散力和偶極-偶極吸引力）大致相同。然而，乙醇具有直接連接到一個(gè)氧的氫原子以及氧像水分子中一樣具有兩個(gè)孤對。乙醇的分子之間可以形成氫鍵，雖然不像水一樣有效。氫鍵受限于每個(gè)

6、乙醇分子只有一個(gè)氫具有有效電荷δ+。在甲氧基甲烷中，氧的孤對仍然存在，但氫原子沒有足夠的有效電荷δ+形成氫鍵。除了在一些不尋常的情況下，氫原子具有直接連接到電負(fù)性很強(qiáng)的元素形成氫鍵。乙醇和甲氧基甲烷的沸點(diǎn)表明氫鍵在乙醇分子的粘性上有戲劇性的效果：乙醇（含氫鍵）78.5°C；甲氧基甲烷（無氫鍵）-24.8°C。乙醇中的氫鍵提高了沸點(diǎn)約100℃。要認(rèn)識到，氫鍵的存在除了范德華吸引力外是很重要的。例如，所有以下的分子都具有相同數(shù)目的電子，并且前兩個(gè)的長度大致相同。丁-1-醇由于額外的氫鍵沸點(diǎn)較高。比較這兩種醇（含-OH基團(tuán)），

7、兩者的沸點(diǎn)高是因?yàn)闅渲苯舆B接氧原子而產(chǎn)生的額外氫鍵，但它們不一樣。2-甲基丙-1-醇的沸點(diǎn)和丁-1-醇不一樣高，因?yàn)樵诜肿又兄Щ沟梅兜氯A吸引力比在更長的丁-1-醇不太有效。氫鍵在含氮的有機(jī)分子：氫鍵也發(fā)生在含有NH基團(tuán)的有機(jī)分子–和在氨中的排序方式相同。種類繁多，從簡單的分子，如CH3NH2（甲胺），及大分子如蛋白質(zhì)和DNA。在DNA中的著名的雙螺旋的兩條鏈通過連接到氮上的一條鏈的氫原子，以及在另一彼此氮或氧孤對之間的氫鍵連接在一起。供體和受體：為了是氫鍵發(fā)生，必須同時(shí)存在氫供體和受體。在一個(gè)氫鍵供體是氫原子參與氫鍵的

8、共價(jià)結(jié)合，并且通常是一種強(qiáng)電負(fù)性原子如N，O或F。氫受體是相鄰的負(fù)電離子或分子，而且必須擁有一種孤電子對以形成氫鍵。為什么氫鍵發(fā)生：由于供氫體是強(qiáng)電負(fù)性，它拉的價(jià)電子對接近它的核，并遠(yuǎn)離氫原子。氫原子剩余部分正電荷，在鍵合到供體的氫原子和受體上的孤電子對之間產(chǎn)生偶極-偶極吸引力。結(jié)果形成氫鍵。（見分子間永久偶極相互作