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一、氫鍵

1、概念:一種特殊的分子間作用力

2、形成條件:①與電負性大且半徑小的原子(F、O、N)相連的 H;②在附近有電負性大, 半徑小的原子(F、O、N) 3、表示方法:X—H… Y—。

氫鍵氫鍵是一種靜電作用,是除范德華力外的另一種分子間作用力;氫鍵的大小介於化學鍵與范德華力間,不屬於化學鍵,但有鍵長、鍵能,氫鍵具有飽和性、方向性。

二、氫鍵的存在

1、分子間氫鍵 。如:C2H5OH、CH3COOH、H2O 、HF、NH3 相互之間

2、分子內氫鍵 。如:苯酚鄰位上有-CHO、-COOH、-OH和-NO2時,由氫鍵組成環的特殊結構

生物大分子中也存在的氫鍵

三、氫鍵的強弱

(1)、X—H … Y—:X和Y的電負性越大,吸引電子能力越強,則氫鍵越強。如:F 電負性最大,得電子能力最強,因而F-H…F是最強的氫鍵。

(2)、氫鍵強弱順序:F-H…F > O-H…O > O-H…N > N-H…N (註意:C原子吸引電子能力較弱,一般不形成氫鍵)。

氫鍵強弱比較

四、 對物質熔沸點的影響

分子間能形成氫鍵的物質,一般都具有較高的熔點和沸點,這是因為固體熔化或液體氣化時除瞭破壞范德華力外,還必須破壞分子間氫鍵,從而需要消耗更多的能量。在同類化合物中能形成分子間氫鍵的物質,其熔沸點比不能形成分子間氫鍵的高。如,第VIA 族元素的氫化物,由H2Te、H2Se 到H2S,隨相對分子量的遞減,分子間作用力遞減,熔沸點依次降低;但H2O 分子間形成瞭O-H…O 氫鍵,分子間作用力增強,H2O 的熔沸點陡然升高。

分子內氫鍵的形成使物質的熔沸點降低。如,鄰、間、對硝基苯酚的熔點分別為45℃、96℃、114℃,這是由於間位、對位硝基苯酚中存在分子間氫鍵,熔化時必須破壞其中的一部分氫鍵,熔點較高;而鄰硝基苯酚中形成分子內氫鍵,不形成分子間氫鍵,故熔點較低。

五、對物質溶解性的影響

如果溶質分子與溶劑分子之間形成氫鍵,則溶質的溶解度會驟增。如,氨在水中的溶解度大於其他氣體,在20℃時,1 體積水吸收700 體積的氨。氨在水中的溶解度特別大,是由於水分子和氨分子通過氫鍵互相結合形成氨的水合物;乙醇、乙二醇、丙三醇等可與水以任意比混溶,皆源於此。如果溶質分子形成分子內氫鍵,則在極性溶劑中的溶解度減小,在非極性溶劑中的溶解度增大。

六、對有機化合物酸性的影響

以羧酸為例,影響羧酸酸性的因素很多,任何能使羧酸負離子比羧酸更加穩定的因素都使羧酸酸性增大;反之,使羧酸酸性減弱。氫鍵使羧酸根負離子更穩定,使得羧酸的酸性增強。在質子溶劑中,如果羧酸根負離子能被溶劑通過氫鍵穩定,將同樣能觀察到其酸性增強的現象。例如乙酸在不同溶劑中的PKa 如表1 所示。

分子內氫鍵的形成同樣會影響羧酸的酸性強弱。最典型的例子是鄰羥基苯甲酸的酸性,由於它的羧酸根負離子可與鄰位羥基生成氫鍵,使負離子穩定性大大提高,因而酸性(PKa=2.98) 比對羥基苯甲酸的酸性(PKa=4.57) 強很多。

七、對物質粘度和表面張力的影響

當分子間形成氫鍵時,分子間作用力增大,流動性減小,粘度增大。一般情況是能形成分子間氫鍵的物質比不能形成分子間氫鍵的物質的粘度大。醇和羧酸能形成分子間氫鍵,而烷烴、酮和酯等則不能,因此醇和羧酸的粘度比分子量相同的烷烴、酮和酯大。甘油、磷酸、濃硫酸等多羥基化合物,由於分子間可形成眾多的氫鍵,這些物質通常為粘稠狀液體。

分子內氫鍵對化合物粘度的影響與分子間氫鍵不同。存在分子內氫鍵的化合物相對於存在分子間氫鍵的化合物,其分子間作用力小,分子流動性變大, 粘度變小。如,鄰羥基苯甲醛的粘度比對位異構體小;在硝基苯酚的異構體中,鄰位異構體的粘度小。

水的表面張力很大,其根源也在於水分子間的氫鍵。物質表面能的大小和分子間作用力大小有關,因為表面分子受到液體內部分子的吸引力,向液體內部擠壓,能量較高,有使表面自動縮小的趨勢,見表2。

表中所列液態物質中,水的表面能最高,因為水分子之間有強的氫鍵作用。若加表面活性劑破壞表面層的氫鍵體系就可降低表面能,這在工業生產中有著重要的意義。

八、影響物質的密度物質的分子間作用力越大,分子排列越緊密,密度越大。直鏈烷烴分子隨著碳原子數增多,分子間作用力增大,密度變大。

分子間氫鍵對化合物的密度同樣也產生影響。如,醇能形成分子間氫鍵,低碳醇的密度比分子量相近的烷烴高;隨著分子量的增加,烴基部分所占比例增加,阻礙瞭分子間氫鍵的形成,高碳醇密度與分子量相近的烷烴的差值逐漸減小。二元醇分子中含有兩個羥基,它們形成氫鍵的能力更強。乙二醇的密度是1.113g·cm-3,比同碳數乙醇密度(0.789g·cm-3)高,比分子量相近的丙醇密度(0.804 g·cm-3) 也高。羧酸能形成強的氫鍵,羧酸的密度比相應的烷烴和醚高,比相應的醇也高。

液體分子間若形成氫鍵,有可能發生締合現象,分子締合的結果會影響物質的密度。如,·nH2O(H2O)n,常溫下液態水中除瞭簡單H2O 分子外,還有(H2O)2,(H2O)3,…,(H2O)n 等締合分子存在。

降低溫度有利於水分子的締合。

九、氫鍵在生命物質中的作用

生命物質由蛋白質、核酸、糖類、脂類等有機物以及水和無機鹽組成,這些物質結合在一起具有生命的特性,氫鍵在其中起關鍵的作用。蛋白質是由一定序列的氨基酸縮合形成的多肽鏈分子,它富含形成氫鍵結合的能力。在多肽主鏈中的N-H 作為質子給體,C=O作為質子受體,互相形成C=O…H-N 氫鍵,決定瞭蛋白質的二級結構。脫氧核糖核酸(DNA) 分子中,兩條多核苷酸鏈靠堿基(C=O…H-N 和C=N… H-N) 之間形成氫鍵配對而相連,即腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T) 配對形成2 個氫鍵,鳥嘌呤(G) 與胞嘧啶(C) 配對形成3 個氫鍵,它們盤曲成雙螺旋結構的各圈之間也是靠氫鍵維系而增強其穩定性。一旦氫鍵被破壞,分子的空間結構發生改變, 生物生理功能就會喪失。來源:網絡

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