浅析氢键对物质物理性质的影响，本文主要内容关键词为：氢键论文,物理性质论文,物质论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 氢键及形成条件
氢键是指分子中与高电负性原子X以共价键相连的H原子和另一分子中一个高电负性原子Y之间所形成的一种弱键X—H…Y。
形成氢键必须具备两个条件：（1）分子中有H原子且与电负性很大的原子形成共价键；（2）分子中有电负性很大且带有孤对电子的原子[1]。X、Y都是电负性大、半径小的原子，一般符合条件的有F、O、N原子。Cl的电负性和N相同，但其半径比N大，故只能形成极弱氢键（Cl—H…Cl）；Cl的电负性较小。一般不形成氢键。所以氢键的强弱与X、Y的电负性和半径大小有密切关系。
能形成氢键的物质相当广泛，在HF、H[，2]O、NH[，3]、无机含氧酸、有机羧酸、醇、胺、蛋白质以及某些合成高分子化合物等物质的分子之间都有氢键[2]。
2 氢键的特征
（1）氢键比化学键弱得多，但比范德华力稍强。氢键的强弱与X、Y的电负性大小有关，它们的电负性越大，则氢键越强；Y的半径越小，越能接近H-X，使氢键也越强[3]。几种常见氢键的键能和键长见表1。
表1 一些氢键的键能和键长
（2）氢键具有方向性和饱和性。氢键中X、H、Y三原子一般是在一条直线上，由于H原子体积很小，为了减少X和Y之间的斥力，它们尽量远离，键角尽可能接近180°（分子内氢键除外），这就是氢键的方向性。又由于氢原子的体积很小，当X—H与一个Y原子形成氢键（X—H…Y）后，若再有一个Y原子靠近它，则这个Y原子所受到已经结合的Y原子的排斥力要大于它和H原子的吸引力[4]，那么这个Y就难于再向它靠近，所以氢键中氢的配位数一般为2，这就是氢键的饱和性。
3 氢键对物质物理性质的影响
3.1 氢键对物质熔、沸点的影响[5]
（1）对于结构相似的物质，若分子间形成氢键，则其熔、沸点升高，如碳族元素、氮族元素、氧族元素、卤族元素氢化物熔、沸点的比较（见图1）。
图1 结构相似的氢化物熔点与沸点变化
由于H[，2]O、NH[，3]、HF分子间可形成氢键，使分子间产生较强的结合力，要使液体气化或固体熔化，必须额外给予破坏分子间氢键的能量，故H[，2]O、NH[，3]、HF的熔、沸点显著升高，出现“反常”。而CH[，4]分子间不能形成氢键，它的熔、沸点遵循递变规律。
（2）对于分子量相近的物质，若分子间形成氢键，则熔、沸点较高；若分子间不形成氢键，则熔、沸点较低。如分子量相近的丁烷、丙醇、甲乙醚、乙酸、丙醛、丙酮、甲酸甲酯的沸点的比较（表2）。
表2 分子量相近的物质沸点的比较
由于丙醇、乙酸分子间能形成氢键，它们的沸点较高。而丁烷、甲乙醚、丙醛、丙酮、甲酸甲酯分子间不能形成氢键，它们的沸点则较低。
（3）当氢键存在于分子内部，则减少分子之间氢键的形成，使物质的熔、沸点降低。如分子量相同的邻-硝基苯酚、间-硝基苯酚和对-硝基苯酚，由于邻-硝基苯酚分子内部羟基与硝基接近，能形成稳定的六元环而形成分子内氢键，而间-硝基苯酚和对-硝基苯酚羟基与硝基较远，不能形成分子内氢键，但能形成分子间氢键，故邻-硝基苯酚的熔、沸点较低，间-硝基苯酚，对-硝基苯酚的熔、沸点较高。
3.2 氢键对物质溶解度的影响
（1）物质与溶剂分子间形成氢键，则与溶剂间亲和力增强，溶解度增大。如分子量相近的戊烷、丁醇、乙醚、丁醛、丁酮、丙酸、乙酸甲酯、甲酸乙酯等物质在水中的溶解度比较（表3）。
表3 分子量相近的物质的溶解度比较
由表3看出，分子量相近的丁醇、乙醚、丁醛、丁酮、丙酸、乙酸甲酯、甲酸乙酯能与水形成分子间氢键，所以在水中有一定的溶解度，而戊烷不能与水形成氢键，故在水中的溶解度很小。
（2）形成分子内氢键的物质减少了与水分子形成分子间氢键的可能性，在水中的溶解度降低。如：邻-硝基苯酚形成分子内氢键，减少与水分子形成氢键的可能，在水中的溶解度较低，而间-硝基苯酚和对-硝基苯酚可与水形成分子间氢键（见图1），它们在水中的溶解度较高，其溶解度是邻-硝基苯酚的7～8倍（见表4）
图1 对-硝基苯酚、间-硝基苯酚与水形成氢键示意图
表4 各种硝基苯酚的性质比较
3.3 氢键对物质粘度的影响
液体分子间形成氢键，则分子间亲和力增大，则其粘度增大。如分子量为92的甲苯与甘油的粘度的比较（表5）。
表5 甲苯与甘油的粘度比较
由于甘油液体分子间形成氢键，则其粘度很大，而甲苯液体分子间不能形成氢键，则其粘度很小。
3.4 氢键对物质硬度的影响
当分子晶体中有氢键存在，分子间力增强，分子排列得更紧密，则硬度增大。如水的晶体硬度（冰的硬度为1.5）较一般分子晶体大。
3.5 氢键对物质其它物理性质的影响
在水中，水分子间存在氢键，在加热过程中必须要额外消耗能量以破坏氢键，所以液态水的比热较大（4.184J/g·℃）。
在冰的晶体中，每一个水分子通过氢键与周围的4个水分子缔合，形成四面体结构。这种结构相当空旷，水分子之间有较大的空隙，给冰加热时，破坏了一部分氢键，使分子缔合减少，使水的密度增加。另一方面，由于水分子的热运动增强，分子间距离增加而使水的密度减小。由于0℃到4℃时，第一种情况占优势，而4℃以上，第二种情况占优势，所以4℃密度最大。
4 结论
综上所述，氢键的形成对物质的熔点，沸点、溶解度、粘度、硬度等物理性质都产生影响。在研究物质结构与性能关系中不可忽视氢键的影响。
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