氢键

氢键是一种异常强烈的偶极-偶极相互作用这可能发生在氢与一个高的电负性原子。(最常见的是 $\ ce {N}$， $\ ce {O}$, $F \ ce {}$；但 $\ ce{年代}$而且 $\ ce {Cl}$也能形成氢键)氢键总是在氢原子和电负性原子之间形成。^[1]带有氢键的化合物的沸点高于预期，这有助于解释水的一些独特行为——包括为什么地球上存在液态水!氢键对于理解许多有机化合物的性质和行为也很重要，包括醇、羧酸和胺。

如下图所示，电负性极强的原子将电子云从氢原子中拉出，使氢原子的一部分原子核暴露出来，使原子带部分正电荷。附近分子上的高电负性原子可以与氢原子相互作用，由于氢原子非常小，所以偶极子可以比大多数偶极子相互作用更接近彼此。

Imgur

氢键是最强的分子间作用力．这就解释了水的沸点比较高的原因组16个化合物．通常情况下，沸点随着分子质量的增加而增加范德华力．

下面哪个分子能与自己的同类形成氢键?

(一)丙酮
(B)氨
(C)氯化氢
(D)甲烷

回答

要形成氢键，一个氢原子直接连在一个 $文本\ {N}$， $文本\ {O}$,或 $文本\ {F}$原子必须与另一个原子发生反应 $文本\ {N}$， $文本\ {O}$,或 $文本\ {F}$原子。根据上述化合物的结构说明，只有(B)氨含有一个氢原子直接附着在 $文本\ {N}$， $文本\ {O}$,或 $文本\ {F}$原子。 $_ \广场$

在上面的例子中，为什么丙酮不与自身形成氢键?氢不能 $\ ce {CH_3}$基团连在另一个丙酮分子的氧上?

回答

在丙酮中，所有的氢都连着碳，而不是氧、氮或其他电负性很强的元素。由于碳和氢的电负性大致相同，例如，电子在键中的分布比在氢氧键中的分布更均匀。氢键要求氢成键直接对一个电负性元素，在氢上留下大量的部分正电荷，从而吸引另一个电负性元素。 $_ \广场$

显示共价沸点的图氢化物16组和17组。^[２]

沸点会随着分子量化合物的增加。注意第16和17组卤化物的总体趋势，忽略每一行的第一个点。沸点以近似线性的方式从一组原子中最轻的原子向最重的原子移动。形成氢键的化合物( $\ce{HF} \text{and} \ce{H_2O}$)不遵循这个模式。它们的沸点明显更高，尽管它们的分子量最小它们各自基团中的氢化物。这种异常是氢键的直接结果。如果推断其余16组的趋势线，水的沸点将在 $-130 ^ \保监会\文本{C}$而不是 $100 ^ {C} \保监会\文本。$

每个水分子都有两个氢原子和两对未共享电子，这使得它可以参与4个氢键。的四面体电子构型导致每个分子上的氢键在空间上与该分子上的其他键分离，导致典型的晶体结构冰。因此，固态冰的密度比液态水的密度低。

当一个湖在冬天结冰时，由于冰的密度较低，首先在湖面上形成冰层。地表下的液态水保持着稳定的温度，因为表层也经历着这一过程相变使得湖中的植物、动物、昆虫和微生物能够在冬天存活下来。如果冰的密度比水大，沉到湖底，湖泊最终会冻成固体，保证池塘生物的寿命很短，并在春天看到可怕的景象。

水分子间氢键的三维模型。氢键通常用虚线表示。^[3]

1. Baaden, M。使用HyperBalls的动态水氢键网络．从检索https://www.youtube.com/watch?v=pBK22hN7cIM
2. Jkwchui。沸点，硫，卤．从检索https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Boiling-points_Chalcogen-Halogen.svg
3. 波尔图,。3 d_model_hydrogen_bonds_in_water-es.jpg．从检索https://commons.wikimedia.org/wiki/File:3D_model_hydrogen_bonds_in_water-es.jpg