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氢键的形成条件,氢键的形成是什么条件?

admin admin 发表于2024-08-09 01:02:34 浏览34 评论0

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氢键的形成是什么条件?

关于氢键的形成,其两个核心条件可以被如下细致地阐述:

首先,氢键的形成要求存在一个氢原子,这个氢原子必须与电负性极强的原子A结合,形成强极性键。

其次,第二个条件是涉及一个拥有特定属性的B原子,通常为F、O、N等原子。这些B原子拥有较小的部分负电荷半径,同时表现出较高的电负性,并且具备单电子对。这些特性使得B原子能够与强极性键(A-H)上的氢核产生强烈的静电引力。

当氢原子与电负性大的原子X通过共价键结合时,如果有一个与X电负性同样大且半径较小的原子Y接近,氢原子便作为媒介在X与Y之间形成特殊的分子间或分子内相互作用。这种特殊的相互作用被称为氢键,其表现形式为X-H…Y。

无论是同一类型的分子如水分子之间的氢键,还是不同种类分子如一水合氨分子(NH3·H2O)之间的氢键,都可以遵循上述规律。如果我们用通式来表示氢键的结构,那么可以写作X-H…Y。在这里,X和Y代表的是电负性较大且原子半径较小的非金属原子,比如F、O、N等。它们可以是相同的元素,也可以是不同的元素。

尽管氢键的存在十分普遍,且对其的研究正在逐渐深化,但人们对于氢键的定义仍然存在着两种不同的理解。第一种观点将整个X-H…Y结构称为氢键,因此氢键的键长指的是X与Y之间的距离。例如,在F-H…F中,键长被测定为255pm。第二种观点则只将H…Y部分称为氢键,这意味着氢键的键长实际上是H与Y之间的距离,如H…F之间的距离163pm。在选择使用氢键的键长数据时,我们必须注意这两种不同的理解。

然而,对于氢键的键能的理解,人们的认识是一致的。无论采用哪种定义方式,氢键的键能都是指将X-H…Y-H分解为单独的HX和HY所需的能量。

分子内形成氢键的条件

某些分子,如HNO3和邻硝基苯酚,拥有形成分子内氢键的能力。在这些分子中,存在一个苯环,上面连接着两个羟基。其中一个羟基中的氢原子与另一个羟基中的氧原子之间会形成氢键。由于分子内氢键受到环状结构的制约,X-H…Y往往不会排列在同一直线上。分子内氢键的存在降低了这些物质的熔沸点。

关于氢键的形成,以HF为例:HF分子中,因为F原子的电负性非常大(达到4.0),使得电子对强烈偏向于F原子。H原子因为只有一个电子,其电子云被F原子的强大吸引力牵引,使得H原子几乎呈现出质子的状态。这种状态使得附近的另一个HF分子中的F原子(带有部分负电荷并含有孤电子对)能够充分接近它,从而产生强烈的静电吸引作用,这就是氢键。表示为F-H...F之间的结合。

不仅同种分子之间可以形成氢键,不同种类的分子如NH3和H2O之间也可以形成氢键。这种氢键的形成导致了氨气在水中的溶解度极高,达到每体积水可溶解700体积氨气的惊人程度。

关于氢键形成的条件,首先,必须存在与电负性大的原子A形成的强极性键的氢原子。其次,还需要一个较小的半径、较大的电负性、含有孤电子对并带有部分负电荷的原子B(如F、O、N)。这些原子B通过静电引力与氢核产生吸引,形成氢键。这种结合可以用通式X-H…Y来表示,其中X和Y可以是相同的元素,也可以是不同的元素。值得注意的是,氢键的形成并不一定要求X和Y处在相邻的位置上。

在有机物中,虽然许多分子含有-OH键,但并非所有都形成氢键。要形成氢键,除了存在强电负性的原子外,该原子的原子核必须大部分裸露在外面,没有被周围的电子轨道完全包围,这样才能对氢原子形成吸力。

对于分子内氢键的形成,除了满足上述基本条件外,还需要特定的条件如形成平面环等。环的大小以五或六原子环最为稳定,而在形成的环中不能有任何扭曲。

在分子间氢键的情况下,物质的粘度通常较大。例如甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物,由于分子间可以形成大量的氢键,因此这些物质通常呈现粘稠的液体状态。对于存在分子间氢键的物质,其熔点和沸点通常较高,因为除了需要克服纯粹的分子间作用力外,还需要额外的能量来破坏分子间的氢键。而对于分子内生成氢键的物质,其熔点和沸点往往会降低,例如邻硝基苯酚的熔点低于具有分子间氢键的间位和对位熔点。

以上内容仅供参考,如需更详细或专业的解释,建议查阅相关书籍或咨询化学专家。