第三节 氢键

一、氢键的本质

氢原子与电负性很大、半径很小的原子X（F，O，N）以共价键形成强极性键H-X，这个氢原子还可以吸引另一个键上具有孤对电子、电负性大、半径小的原子Y，形成具有X-H…Y形式的物质。这时氢原子与y 原子之间的定向吸引力叫做氢键（以H…Y表示）。

氢键的本质一般认为主要是静电作用。在X-H…Y中，X-H是强极性共价键，由于X的电负性很大，吸引电子能力强，使氢原子变成一个几乎没有电子云的“裸露”的质子而带部分正电荷。它的半径特别小，电场强度很大，又无内层电子，可以允许另一个带有部分负电荷的Y原子（即电负性大，半径小且有孤对电子的原子）充分接近它，从而产生强烈的静电相互作用而形成氢键。

一般分子形成氢键必须具备两个基本条件：

1．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。

2．分子中必须有带孤对电子，电负性大，原子半径小的元素。

氢键常在同类分子或不同类分子之间形成，叫做分子间氢键，如氟化氢、氨水：

二、氢键的键长和键能

氢键的键长是指X-H…Y中X与Y原子的核间距离。在HF缔合而成的（HF）n缔合分子中，氢键的键长为255pm，而共价键（F-H间）键长为92pm。由此可得出，H…F间的距离为163pm（255-92）。可见氢原子与另一个HF分子中的F原子相距是较远的。

氢键的键能是指被破坏H…Y键所需要的能量。氢键的键能约为15-30kJ·mol-1，比一般化学键的键能小得多，和范德华力的数量级相同。氢键的强弱与X和Y的电负性大小有关。电负性越大，氢键的强弱还和Y的半径大小有关，y 的半径越小，越能接近H-X键，形成的氢键也越强。例如F的电负性最大，半径又小，所以F-H…F是最强的氢键，O-H…O次之，O-H…N又次之，N-H…N更次之。

三、氢键的饱和性和方向性

氢键具有饱和性和方向性。氢键的饱和性表现在X-H只能和一个Y原子相对合。因为H原子体积小，X、Y都比氢大，所以当有另一个Y原子接近他们时，这个Y原子受到X-H…Y上X和Y的排斥力大于受到H原子的吸引力，使得X-H…Y上的氢原子不能再和第二个Y原子结合，这就是氢键的饱和性。

氢键的方向性是指Y原子与X-H形成氢键时，在尽可能的范围内要使氢键的方向与X-H键轴在同一个方向，即以H原子为中心三个原子尽可能在一条直线上。氢原子尽量与Y原子的孤对电子方向一致，这样引力较大；三个原子尽可能在一条直线上，可使X与Y的距离最远，斥力最小，形成的氢键强。

四、氢键对物质性质的影响。

（一）对沸点和熔点的影响

在同类化合物中，能形成分子间氢键的物质，其熔点、沸点要比不能形成分子间氢键的物质的熔点、沸点高些。因为要使固体熔化或液体汽化，不仅要破坏分子间的范德华力，还必须提供额外的能量破坏氢键。H2O，HF，NH3的熔点和沸点比同族同类化合物为高（见表4-3），因为它们都可形成分子间氢键。

表4－3　H2O，HF，NH3及其同族同类化合物的熔、沸点

（二）对溶解度的影响

在极性溶剂中，如果溶质分子和溶剂分子之间可以形成氢键，则溶质的溶解度增大。例如，苯胺和苯酚在水中的溶解度比在硝基苯中的溶解度要大。