氢键相互作用

分子间氢键相互作用

氢键：氢键是种弱作用力形成特殊类型的偶极-偶极吸引力,当氢原子键合到一个强电负性原子中存在的另一个具有孤对电子的电负性原子附近时发生。这些键通常比普通的偶极-偶极和色散力强，但比真正的共价键和离子键弱。

氢键存在的证据：许多元素形成与氢的化合物。如果绘制4族元素与氢的化合物的沸点，你发现的沸点随着族元素向下而升高。如下图

沸点增大的发生由于分子具有越来越多的电子放大，因此范德华色散力变得更大。如果你重复上述在5、6和7族氢元素化合物的沸点图，奇特的现象发生了。

虽然大多数情况下的趋势与4族中的一样，氢与各族中的第一个元素的化合物的沸点异常高。在NH 3，H 2 O和HF的情况下，必存在一些额外吸引的分子间作用力，需要更多的热能来破坏。这些相对强大的分子间力被描述为氢键。

形成氢键的起源：分子具有这种额外的键的是：

（注：实线表示在屏幕或纸张平面内的键。虚线键表示远离你的屏幕或纸张的背面，楔形键是指向你的）

在每一个这些分子中注意：

1.氢原子直接结合到最负电元素之一，导致氢原子获得显著量的正

电荷。

2.每个连接氢原子的元素不仅显著的负电性，而且还具有至少一个

“有效的”孤对。

2-级的孤对有电子被包含在一个相对小的体积的空间，因此具有高密度的负电荷。

考虑两个的水分子的接近结合：

δ+氢原子强烈吸引着孤对以致它几乎像形成配位共价键一样。它不会走那么远，但吸引力显著比普通的偶极-偶极相互作用强。

氢键有大约平均共价键强度的十分之一，并正在液态水中不断被打破和重新形成。如果你把氧原子和氢原子间的共价键比喻成稳定的婚姻，氢键具有“只是好朋友”的状态。

水是氢键的一个“完美”例子。注意每个水分子有可能与周围的水分子形成四个氢键。这也确是δ+氢原子和孤对的数目，所以他们中每一个都参与氢键。

这就是为什么水的沸点比氨或氟化氢更高。在氨的情况下，形成氢键的数目由每个氮上只有一个孤对的事实所限制。在氨分子的基团中，没有足够孤对满足周围所有氢原子。在氟化氢中，问题是缺少氢原子。在水中，孤对和氢原子的数目正好合适。水可以被认为是“完美”的氢键系统。

形成氢键的更复杂的例子：

负离子的水合：当离子性物质溶解在水中，水分子簇围绕在分离离子。这个过程称为水合。水经常以配位共价键与正离子结合，以氢键与负离子结合。

该图显示了与Cl-可能形成的氢键。虽然氯离子的孤对是3-级的，通常不会有足够的活性以形成氢键，但在此情况下，它们通过在氯的全部负电荷更具吸引力。

然而复杂的负离子，总会有孤对让水分子中氢原子结合形成氢键。醇中的氢键：醇是含有-OH基团的有机分子。具有直接连接到氧或氮上的氢原子的任何分子能够形成氢键。此类分子始终具有沸点高于其不具有-OH或-NH基团同样大小的分子。氢键使分子“粘性”，分离它们就需要更多的热能。

乙醇，CH3CH2-O-H，和甲氧基甲烷，CH3-O-CH3，具有相同的分子式

C2H6O。

它们具有相同数目的电子和类似长度的分子。每个的范德华吸引力（包括色散力和偶极-偶极吸引力）大致相同。然而，乙醇具有直接连接到一个氧的氢原子以及氧像水分子中一样具有两个孤对。乙醇的分子之间可以形成氢键，虽然不像水一样有效。氢键受限于每个乙醇分子只有一个氢具有有效电荷δ+。在甲氧基甲烷中，氧的孤对仍然存在，但氢原子没有足够的有效电荷δ+形成氢键。除了在一些不寻常的情况下，氢原子具有直接连接到电负性很强的元素形成氢键。乙醇和甲氧基甲烷的沸点表明氢键在乙醇分子的粘性上有戏剧性的效果：乙醇（含氢键）78.5°C；甲氧基甲烷（无氢键）-24.8°C。乙醇中的氢键提高了沸点约100℃。

要认识到，氢键的存在除了范德华吸引力外是很重要的。例如，所有以下的分子都具有相同数目的电子，并且前两个的长度大致相同。丁-1 - 醇由于额外的氢键沸点较高。

比较这两种醇（含-OH基团），两者的沸点高是因为氢直接连接氧原子而产生的额外氢键，但它们不一样。

2 - 甲基丙-1 - 醇的沸点和丁-1 - 醇不一样高，因为在分子中支化使得范德华吸引力比在更长的丁-1 - 醇不太有效。

氢键在含氮的有机分子：氢键也发生在含有NH基团的有机分子–和在氨中的排序方式相同。种类繁多，从简单的分子，如CH3NH2（甲胺），及大分子如蛋白质和DNA。在DNA中的著名的双螺旋的两条链通过连接到氮上的一条链的氢原子，以及在另一彼此氮或氧孤对之间的氢键连接在一起。

供体和受体：为了是氢键发生，必须同时存在氢供体和受体。在一个氢键供体是氢原子参与氢键的共价结合，并且通常是一种强电负性原子如N，O或F。氢受体是相邻的负电离子或分子，而且必须拥有一种孤电子对以形成氢键。

为什么氢键发生：由于供氢体是强电负性，它拉的价电子对接近它的核，并远离氢原子。氢原子剩余部分正电荷，在键合到供体的氢原子和受体上的孤电子对之间产生偶极-偶极吸引力。结果形成氢键。（见分子间永久偶极相互作用）

氢键类型：

氢键可出现在单一的分子内，两相似分子之间或两不同分子之间。分子内氢键：分子内氢键是指一个单一的分子内发生。发生这种情况时，一个分子中的两个官能团能相互之间形成氢键。为了让这种情况发生，同时具有氢供体的受体必须存在一个分子内，并且它们必须是在彼此紧靠在分子中。例如，分子内氢键发生于乙二醇（C 2 H 4（OH）2）分子两个羟基的几何结构之间。

分子间氢键：物质单独分子之间形成分子间氢键。它们可以发生在任意数目的相似或不相似分子之间，只要氢供体和受体存在于一个位置，使他们能够发生相互作用。例如，分子间氢键可以在NH 3分子间单独发生，单独水分子之间，或NH 3和H 2 O分子之间。

氢键的性质和作用：

沸点作用：当我们考虑分子的沸点，我们通常想到的摩尔质量较大的分子比摩尔质量小的分子有更高的正常沸点。不考虑氢键，这一点是因于较大的色散力（见非极性分子间的相互作用）。较大的分子电子分布有更大的空间，因此更多可能产生瞬时的偶极矩。然而，当我们考虑下面的表中，我们看到，这是情况并非总是如此。

我们看到，H 2 O，HF，和NH 3分别具有沸点高于氢和相应的族向下