原子间的键合和氢键的应用

氢键的催化作用
氢键在加速各种反应(如酰基、磷酰基转移、羰基加 成、周环反应等) 中均起着中心作用。近年来,有机化学 家们注意到氢键在小分子合成催化剂中的巨大催化潜力, 特别是手性氢键给体在不对称合成中的作用。
总结
氢键作为分子内或分子间的一种弱相互作用, 在超分子化学、分子识别、晶体工程、材料化学和 催化等现代化学领域中,起着非常重要的作用。通过 充分运用氢键给体和氢键受体的相互作用,可以设计 和组装各种类型的氢键型超分子及其阵列,进行识别、 催化,信息的存储、复制及表达,制备功能材料等。
氢键型晶体工程
什么是晶体工程
晶体工程是分子工 程学的一个重要组成部 分,它通过控制构筑单元 间的相互作用的类型、 强度及几何性质来获得 具有所希望结构和性能 的晶体材料。
通过氢键进行自组装
什么是超分子自组装？
超分子自组装是指分子 或分子亚单元通过非共价键 弱相互作用,自发组成具有某 种性能的长程有序的超分子 聚集体的过程。
类型
作用力来源
离子 原子得、失电子后形 成负、正离子，正负 键
离子间的库仑引力
键合 形成晶体的特点 强弱 最强 无方向性键、高配位数、
高熔点、高强度、低膨胀 系数、塑性较差、固态不 导电、熔态离子导电
共价 相邻原子价电子各处 于相反的自旋状态， 键
强
原子核间的库仑引力
有方向性键、低配位数、 高熔点、高强度、高硬度、 低膨胀系数、塑性较差、 即使在熔态也不导电 无方向性键、结构密堆、 配位数高、塑性较好、有 光泽、良好的导热导电性
二、共价键（Covalent Bond）
共价键的实质就是两 个或多个电负性相差不大 的原子间通过共用电子对 而形成的化学键。共价键 键合的基本特点是核外电 子云达到最大的重叠，形 成“共用电子对”，有确 定的方位，且配位数较小。
共价键的特点
1、方向性 2、饱和性 3、配位数比较小 4、结合牢固结构稳定 4 5、熔点较高，硬度较大。
原子间的键合
所谓键合(bond)是指由原子结合成分子或固体 的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一 系列物理、化学、力学等性质。
键合的种类
金属键（ bonding） （ 金属键 Metallic bonding） 化学键（ bonding）离子键（ bonding） 键primary 化学键（ Chemical bonding）离子键（ Ionic bonding） 主价 primary interatomic bonds 键 共价键 covalent bonding） bonding） （ 共价键（ 物理键（ bonding) 次价键(Secondary bonding)，亦称Van der Waals bonding 次价键( bonding) 亦称Van ing)， physical bonding), 物理键（ 氢键（Hydrogen - bonding) 介于 Hydrogen化学键和 德华力之间 范 氢键（
通过氢键形成超分子
超分子是指由2 种或2 种以上分子依靠分子间 相互作用结合在一起,组 装成复杂的、有组织的 聚集体,并保持一定的完 整性,具有明确的微观结 构和宏观特性 。超分子 不是分子的简单聚集,它 的结构和特性与它们的 纯分子组分的聚集性质 不同。
通过氢键进行分子识别
超分子体系主要有识别、转换和传输功能，分子识别是超分子化学的核心。 超分子体系主要有识别、转换和传输功能，分子识别是超分子化学的核心。
Bond） 一、离子键（Ionic Bond） 离子键（
大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键 的方式结合。通过正负离子之间的静电作用而 形成键合，离子键键合的基本特点是以离子而 不是以原子为结合单元。 。
离子键的特点
1、键力较强、结合牢固。 2、熔点和硬度较高。 3、在离子晶体中很难产生自由运 动的电子，因此，它们都是良好 的绝缘体。 4、熔融状态时呈现离子导电性 NaCl离子键示意图
形成氢键必须满足以下两个条件： 形成氢键必须满足以下两个条件：
（1）分子中必须含氢。 （2）另一个元素必须是显著的非金属 元素（F，O 和 N 分别是 ⅦB，ⅥB 和 ⅤB 族的第一个元素）。这样才 能形成极性分子，同时形成一个裸 露的质子。
水分子间氢键作用
六、实际晶体的键合
值得指出的是，实际晶体 不一定只有一种键，可能是 多种键合的混合，至少范氏 力就是普遍存在的一种力。 不过，在某一键合为主键的 情形下，其他弱键就可以忽 略。实际材料中存在的键合 情况如右图所示。
在金属中的自由电子与金属正 离子相互作用所构成的键合称为 金属键。
特点： 特点：
无方向性 无饱和性 电子的共有化
金属键示意图
四、分子键 （Van der Waals' Bond） ）
分子键是电中性的分子之间的长程作用力。所有惰性 气体原子在低温下就是通过范氏力而结合成晶体的。 因为核外电子是在 不断运动的，因而电子 云的密度随时间而变。 在每一瞬间，负电荷中 心并不和正电荷中心重 合，这样就形成瞬时电 偶极子，产生瞬时电场。
金属 自由电子气与正离子 实之间的库仑引力 键 分子 原子间瞬时电偶极矩 的感应作用 键 氢键 氢原子核与极性分子
间的库仑引力
较强
较弱 无方向性键、结构密
堆、高熔点、绝缘
弱
有方向性和饱和性
氢键在材料中的应用
氢键占有很特殊的地位,被称作为“超分子化学中的万能相互作用”
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通过氢键形成超分子 通过氢键进行分子识别 氢键型晶体工程 通过氢键进行自组装 氢键的催化作用
甲烷分子中碳和氢原子之间的共价键示意图
共价键中共有电子对不能自由运动，因此共价结合形成 的材料一般是绝缘体，其导电能力差。共价键在亚金属 （C,Si,Sn等）、聚合物和无机非金属材料中起重要作用。
Cl2分子中Cl原子之间的 共价键
金刚石中碳原子之间的 共价键
三、金属键（Metallic Bond） 金属键（ ）
分子பைடு நூலகம்特点
1、一种次价键 、 2、无方向性 、 3、无饱和性 、 4、它比化学键的键能小 个数量级，远不如化学 个数量级， 、它比化学键的键能小1-2个数量级 键牢固。 键牢固。
五、氢键(Hydrogen Bond) 氢键(Hydrogen
在 HF,H2O,NH3 等物质中，分子都 是通过极性共价键结合的，而分子之间 则是通过氢键连接的。