我看氢键像配位键

按：最近在复习《物质结构》章节中，讲解练习和近几年高考试题中多次出现氢键，通过对氢键的研究笔者有所发现。氢键这部分内容是在2001年高中教材改版后新加的，在即将全省推行的新课程改革的《物质的结构和性质》中又有所强化，因此我们应该关注这部分新的内容，帮助学生分析，加深理解，以达到《考试大纲》的要求。

由于氢键引起了物理化学性质的变化， 19世纪就已被大量观察到，氢键概念的提出是在 20世纪以后。氢键（HydrogenBond）是指发生在已经以共价键与其它原子键合的氢原子与另一个原子之间（X-H…Y），是一种永久偶极之间的范德华力。通常发生氢键作用的氢原子两边的原子（X、Y）都是电负性较强的原子。氢键既可以是分子间氢键，也可以是分子内的。其键能最大约为200kJ/mol，一般为5-30kJ/mol，比一般的共价键、离子键和金属键键能要小，但强于静电引力。但氢键不是化学键。

一、氢键的形成

1、氢键形成的条件

⑴ 与电负性很大的原子A形成强极性键的氢原子 。

⑵ 较小半径、较大电负性、含孤对电子、带有部分负电荷的原子B (F、O、N)

典型的氢键中，X和Y是电负性很强的F、N和O原子。但C、S、Cl、P甚至Br和I原子在某些情况下也能形成氢键，但通常键能较低。碳在与数个电负性强的原子相连时也有可能产生氢键。例如在氯仿CHCl3中，碳原子直接与三个氯原子相连，氯原子周围电子云密度较大，因而氢原子周围即带有部分正电荷，碳也因此参与了氢键的形成，扮演了质子供体的角色。芳香环、碳碳叁键或双键在某些情况下都可作为电子供体，与强极性的X-H（如-O-H）形成氢键。

⑶ 表示氢键结合的通式

氢键结合的情况如果写成通式，可用X－H…Y①表示。式中X和Y代表F，O，N等电负性大而原子半径较小的非金属原子。X和Y可以是两种相同的元素，也可以是两种不同的元素。

2、氢键的分类

（1）、同种分子之间

现以HF为例说明氢键的形成。在HF分子中，由于F的电负性（4.0）很大，共用电子对强烈偏向F原子一边，而H原子核外只有一个电子，其电子云向F原子偏移的结果，使得它几乎要呈质子状态。这个半径很小、无内层电子的带部分正电荷的氢原子，使附近另一个HF分子中含有孤电子对并带部分负电荷的F原子有可能充分靠近它，从而产生静电吸引作用。这个静电吸引作用力就是所谓氢键。即F-H...F。

（2）、不同种分子之间

不仅同种分子之间可以存在氢键，某些不同种分子之间也可能形成氢键。例如NH3与H2O之间。所以这就导致了氨气在水中的惊人溶解度：1体积水中可溶解700体积氨气。

3、氢键的特点：氢键具有饱和性和方向性

氢键不同于范德华引力，它具有饱和性和方向性。由于氢原子特别小而原子A和B比较大，所以A—H中的氢原子只能和一个B原子结合形成氢键。同时由于负离子之间的相互排斥，另一个电负性大的原子B′就难于再接近氢原子。这就是氢键的饱和性。

氢键具有方向性则是由于电偶极矩A—H与原子B的相互作用，只有当A—H---B在同一条直线上时最强，同时原子B一般含有未共用电子对，在可能范围内氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致，这样可使原子B中负电荷分布最多的部分最接近氢原子，这样形成的氢键最稳定。

二、氢键的强度

氢键的牢固程度——键强度也可以用键能来表示。粗略而言，氢键键能是指每拆开单位物质的量的H…Y键所需的能量。氢键的键能一般在42kJ·mol-1以下，比共价键的键能小得多，而与分子间力更为接近些。例如,水分子中共价键与氢键的键能是不同的。

而且，氢键的形成和破坏所需的活化能也小，加之其形成的空间条件较易出现，所以在物质不断运动情况下，氢键可以不断形成和断裂。

氢键键能大多在25-40kJ/mol之间。一般认为键能40kJ/mol的氢键则是较强氢键。曾经有一度认为最强的氢键是[HF2]?中的FH…F?键，计算出的键能大约为169kJ/mol。而事实上，用相同方法计算甲酸和氟离子间的[HCO2H…F?]氢键键能，结果要比HF2?的高出大约30kJ/mol。

常见氢键的气态解离能数据，单位为kJ/mol

较弱

中等

较强

HSH…SH2

NCH…NCH

H2NH…NH3

MeOH…OHMe

HOH…OH2

7

16

17

19

22

FH…FH

ClH…OMe2

FH…OH2

29

30

38

HOH…Cl?

HCONH2…OCHNH2

HCOOH…OCHOH

HOH…F?

H2OH+…OH2

FH…F?

HCO2H…F?

55

59

59

98

151

169

~200

常见氢键的平均键能数据为：

F—H … :F （155kJ/mol 或 40 kcal/mol）

O—H … :N （29kJ/mol 或 6.9 kcal/mol）

O—H … :O （21kJ/mol 或 5.0 kcal/mol）

N—H … :N （13kJ/mol 或 3.1 kcal/mol）

N—H … :O （8kJ/mol 或 1.9 kcal/mol）

HO—H… :OH3+ （18 kJ/mol或 4.3kcal/mol）

三、氢键形成对物质性质的影响

氢键通常是物质在液态时形成的，但形成后有时也能继续存在于某些晶态甚至气态物质之中。例如在气态、液态和固态的HF中都有氢键存在。能够形成氢键的物质是很多的，如水、水合物、氨合物、无机酸和某些有机化合物。氢键的存在，影响到物质的某些性质。

1、熔点、沸点

分子间有氢键的物质熔化或气化时，除了要克服纯粹的分子间力外，还必须提高温度，额外地供应一份能量来破坏分子间的氢键，所以这些物质的熔点、沸点比同系列氢化物的熔点、沸点高。分子内生成氢键，熔、沸点常降低。例如有分子内氢键的邻硝基苯酚熔点（45℃）比有分子间氢键的间位熔点（96℃）和对位熔点（114℃）都低。

与同族的化合物相比，NH3、H2O和HF具有反常高的熔点和沸点。

为什么HF分子间氢键比H2O分子间氢键强，而HF的沸点却比H2O的低？

由于氟原子半径比氧原子小，电负性大于氧，所以HF分子间的F－H…F氢键比H2O分子间的O—H…O氢键要强得多，前者键能为28KJ/mol,后者18.8KJ/mol。即使在气态时，HF分子间的氢键尚未完全破坏，还有许多是以缔合分子（HF）2存在；而水分子在水蒸气中氢键已不能起很大作用，即大部分以单个分子存在，仅有约3.5%的双分子水（H2O）2存在。但是，水的沸点却比氟化氢的高。这是因为一个水分子可以形成两个氢键，而每个氟化氢分子只能形成一个氢键，因而要使氢键完全断裂成为气体分子所需要的总能量就比使HF分子间氢键断裂所需的要多，再加上液态氟化氢气化时氢键还有不完全断裂的因素，所以水气化时所需要能量要多，因而温度要高。

2、溶解度

物质的溶解性一般遵循“相似相溶”的规则，从结构的角度来看，常用的极性溶剂—水，其分子之间存在较强的氢键，水分子即可提供H生成氢键，又有孤对电子接受H形成氢键，故溶质分子，凡能接受H或提供H形成氢键则与水相似，在水中溶解度增大。例如苯仅仅稍溶于水，而吡啶完全与水混合，这是因为吡啶与水相似，可以与H2O形成分子间氢键，故溶解度较大。ROH、RCOOH、RCONH2等同样可以与水形成氢键，所以在水中溶解度较大。

在极性溶剂中，如果溶质分子与溶剂分子之间形成氢键，则溶质的溶解度增大，如HF、NH3易溶于水，而CH4却难溶于水，如果溶质分子形成分子内氢键，则在极性溶剂中的溶解度减小，而在非极性溶剂中溶解度增大，如20℃时，邻位与对位硝基苯在水中溶解度之比为 0.39:1，而在苯中的溶解度之比为1.93:1。

很多盐溶液中如果加入乙醇，会有晶体结晶析出，即醇析。其原因就是水分子与乙醇分子形成分子间氢键，导致了晶体中阴、阳离子水合的分子减少而结晶析出。

3、粘度

分子间有氢键的液体，一般粘度较大。例如甘油、磷酸、浓硫酸等多羟基化合物，由于分子间可形成众多的氢键，这些物质通常为粘稠状液体。

4、密度

液体分子间若形成氢键，有可能发生缔合现象，例如液态HF，在通常条件下，除了正常简HF分子外，还有通过氢键联系在一起的复杂分子(HF)n。nHF(HF)n。其中n可以是2，3，4…。这种由若干个简单分子联成复杂分子而又不会改变原物质化学性质的现象，称为分子缔合。分子缔合的结果会影响液体的密度。

冰中水分子在冰晶体结构中空间占有率较低，因而冰密度较小，甚至小于水。冰中每个H2O水分子都按四面体方向参与形成4个O-H…O氢键，每摩尔冰中只有2N0个氢键。冰的熔化热为5.0kJ/mol，而冰中氢键键能为18.8kJ/mol，因此刚熔化的水中仍有大量的氢键。在4°C时，水氢键断裂（密度增大）和受热分子间距增大（密度减小）的趋势相等，因此4°C时水密度最大。这个温度对于水中生物至关重要，它保证了冬季时水中生物不至于因为水结冰而死亡。

5、对化学反应性能的影响

对于一些反应，氢键的形成可以使反应速度加快，如乙酸乙酯与水气在 200℃下水解，即使维持150 小时，其最高水解率也仅有0.05%，但水解若在中性水溶液中进行，由于酯与水先生成氢键而缔合，既而再分解为醇和酸，从而加快了水解速度，使水解容易进行，而在气态时不易形成氢键缔合体。

分子内氢键的形成还可以影响化合物酸性的强弱。

除此之外，氢键的存在还可以改变一些物质的结构，对物质构型是有影响的，还可以影响构象的稳定性，可以导致在某些互变异构平衡中大量的烯醇式结构的存在。如结晶水合物中存在由氢键构建的类冰骨架，其中可装入小分子或离子。参见甲烷气水包合物。C=O…H-N氢键使蛋白质形成α螺旋。DNA中两条链的碱基通过氢键配对，而氢键的饱和性和方向性使得双螺旋的碱基配对具有专一性，即A-T靠2个氢键配对而C-G靠3个氢键配对，见下图：

四、对氢键的理解：氢键就是配位键的前身，氢键所具有的方向性和饱和性都与共价键高度相似

氢键的本质： 强极性键(A-H)上的氢核,与电负性很大的、含孤电子对并带有部分负电荷的原子B之间的静电引力。其实氢键极与共价健中的配位键倒有几分神似。

配位键，又称配位共价键，是一种特殊的共价键。当共价键中共用的电子对是由其中一原子独自供应时，就称配位键。配位键形成后，就与一般共价键无异。成键的两原子间共享的两个电子不是由两原子各提供一个，而是来自一个原子。

区别：前者属于分子与分子间一种力的形式，后者是化学键。

相似：氢键通过静电引力形成氢键，但尚未成键，若发生电离，就形成了配位键。由电负性强、含孤电子对的原子提供含孤电子对，而另一个分子的氢原子在强的电负性原子的吸引下，类似于失去电子，形成氢核从而提供空轨道，由此形成配位键。可以说，氢键在电离前就是配位键的前身。

如氨分子与水分子形成的氢键可表示为

究竟哪一种正确？

从理论上分析：若形成的氢键越强，则体系能量越低，物质越稳定。由于氧原子半径比氮原子小，氧元素电负性比氮元素大，所以H－O键中，共用电子对偏向于氧原子的程度与N－H键中共同电子对偏向氮原子的程度比较，H－O键程度大，所以H－O键中的氢原子更接近于“裸露的质子”。对于孤电子对的电子云，有更强的吸引力，所以NH3分子中N原子的一对孤电子对比H2O分子中O原子的孤电子对更易允许几乎裸露的质子“钻入”电子云。所以，N…H－O氢键比N－H…O氢键更为牢固，因而（Ⅱ）正确。

从实验事实上分析：水溶液中在水分子的作用下，使极性共价键转化为离子键，氢原子完全转化为氢离子，从而使形成氢键的孤对电子完全进入H+离子的空轨道，成为配位键。这样，根据两种结构式就会发生如下两种可能的转化：

（Ⅰ）

溶液显碱性。

（Ⅱ）

溶液显酸性。

实验事实证明，氨水是呈碱性的，即按（Ⅰ）转化。

从理论和实验事实两方面分析都得出一个共同结论，即氨分子与水分子间形成的氢键，表示为：

从氢键的饱和性和方向性来看，氢键已经具备共价键的特征。综上所述，氢键已经非常神似配位键了。