【氫鍵·數目】運用均攤法計算化合物分子間氫鍵的數目

2021-02-15 老楊化學

前面我們已經講述過氫鍵的存在及其對物質性質的影響。那麼含有氫鍵的化合物中氫鍵的數目怎麼分析呢？

我們知道，氫鍵像共價鍵一樣也是存在方向性和飽和性的。什麼是方向性和飽和性呢？每個原子所能形成共價鍵的數目取決於該原子中的單電子數目，這就是共價鍵的飽和性。成鍵時，兩原子軌道重疊愈多，兩核間電子云愈密集，形成的共價鍵愈牢固，這稱為原子軌道最大重疊原理，因此一般共價鍵具有方向性。也就是說，形成共價鍵和氫鍵的時候，既有空間上的一定取向，也有一定的數目限制要求。

如何計算氫鍵數目呢？

均攤法常用在晶體有關分析及計算中：如果一個微粒被n個晶胞共享，那麼它屬於每一個晶胞的只有1/n，這種方法稱為均攤法。

根據冰的結構，每個水分子與周圍的4個水分子形成氫鍵。但是每兩個水分子共用1個氫鍵了，氫鍵數目= 4×1/2 = 2,即因此1mol水分子（冰））分子間實際均攤有2mol氫鍵。 

                                冰的結構

我們來看看氨分子間的氫鍵。固態氨分子中的每個 H 均參與一個氫鍵的形成，每一個 H 原子直接與兩個 N 原子鄰接，根據均攤法，每一個 H 原子將會給它周圍的每一個 N 原子貢獻 1/2 個 H 原子。在整體化學式為 NH₃ 的氨晶體中，每個 N 原子均分後應有 3 個 H 原子與其相鄰，因此在均分前的晶體結構中，每個 N 原子應與六個 H 原子鄰接。每個 H 原子均參與一個氫鍵的形成，顯然，每個氫鍵也均只由一個 H 原子參與形成，根據均攤法，每個氨分子均分得到三個 H 原子，也即每個氨分子均分得到 3 個氫鍵，這也就是說，1 mol 氨中均攤有 3 mol 氫鍵。

我們分析的氫鍵的數目是物質在晶體狀態時的數目。當晶體狀態發生變化（生成液體、氣體）時，氫鍵是在不同程度的被破壞了。所以，單獨說液態水、氨氣分子間的氫鍵數目是不準確的。

                 固態氨的結構

【參考文獻】裴堅, 卞江, 柳晗宇. 2018. 中國化學奧林匹克競賽試題解析[M]. 第3版. 北京: 北京大學出版社.

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  • 認識氫鍵
    氫鍵相當普遍地存在於許多化合物與溶液之中。              ——以上資料選自北京大學出版社《普通化學原理》（第3版）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了破壞範德華力外，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。
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    、沸點越高；②共價鍵：共價鍵越強，單質或化合物的穩定性越大！分子間作用力概念：物質分子間存在微弱的相互作用！（注意對比，這個是物質分子之間的作用力）所有我們就很容易知道其作用力範圍：分子間！;I2氫鍵：某些具有強極性鍵的氫化物分子間的相互作用(靜電作用)，分子間(HF、H2O、NH3)較化學鍵弱得多，較分子間作用力稍強，主要影響物質的熔點、沸點、密度（這裡也是物質的物理性質，這一點是高考易考點，需要注意一下）
  • Science :超越想像 :分子間氫鍵的實空間成像
    國家納米科學中心的研究人員利用原子力顯微鏡技術在實空間觀測到分子間氫鍵和配位鍵相互作用，在國際上首次實現了對分子間局域作用的直接成像這項研究工作由國家納米科學中心裘曉輝研究員、程志海副研究員領導的納米表徵與測量研究團隊與中國人民大學物理系季威副教授領導的理論計算小組合作完成。氫鍵是自然界中最重要的分子間相互作用形式之一。雖然氫鍵的強度相對於共價鍵非常弱，但是對物質的性質有至關重要的影響，例如:氫鍵作用使得水能夠在常溫下以液態存在、DNA形成雙螺旋結構、蛋白質形成二級結構等。
  • 氫鍵知識點匯總
    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 分子間形成了O－H…O 氫鍵，分子間作用力增強，H2O 的熔沸點陡然升高。
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    三、氫鍵及其對物質性質的影響1.概念已經與電負性很大的原子(如N、F、O)形成共價鍵的氫原子與另一個分子電負性很大的原子之間的作用力。3.分類氫鍵可分為分子內氫鍵和分子間氫鍵兩類，只有分子間氫鍵才能增大物質的熔沸點4.特徵氫鍵不屬於化學鍵，屬於一種較弱的作用力，比化學鍵弱，但比範德華力強。
  • 【經濟日報】看,這就是氫鍵!
    促使分子形成的力量，除了離子鍵，還有共價鍵，二者都屬於化學鍵。　　氧氣分子（O2）內部兩個氧原子間，就是共價鍵在起作用。一個氧原子有8個電子，按2、6的數目排列在兩個軌道上，當兩個氧原子相遇時，都缺2個電子才能達到「外8」的完美。
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    非極性妃子在電場中，就會發生正負電荷發生移動，分子變形。2. 機型分子在電場中，正負電荷之間的距離加大。所以，不管是極性分子還是非極性分子，在電場中，正、負電荷中心發生變化，都會「變形」。這種變形，就睡產生分子間的作用力。
  • 氫鍵在高中化學中的應用詳解
    ，所以通常人們把氫鍵看作是一種比較強的分子間作用力。可見氫原子與另一個HF分子中的氟原子相距是較遠的。4.氫鍵的分類氫鍵可分為分子內氫鍵和分子間氫鍵兩大類。一個分子的X—H鍵與另一個分子的Y相結合而成的氫鍵，稱為分子間氫鍵。例如，水、液氨、甲酸等存在分子間氫鍵。除這種同類分子間的氫鍵外，不同類分子間也可形成氫鍵。
  • ：氫鍵，百歲快樂
    圖片來源於網絡如今，高中課本中這樣描述氫鍵，「分子之間存在著一種比分子間作用力稍強的相互作用，這種相互作用叫做氫鍵」。2011年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）將氫鍵定義更新，「氫鍵就是鍵合於一個分子或分子碎片Ｘ–Ｈ上的氫原子與另外一個原子或原子團之間形成的吸引力。有分子間氫鍵和分子內氫鍵之分，其Ｘ的電負性比氫原子強。
  • 科學家首次直接探測到了氫鍵
    科學家首次成功使用原子力顯微鏡對單分子中氫鍵的強度進行研究。瑞士巴塞爾大學納米科學所在《ScienceAdvances》上報導了他們的這一成果。圖丨螺槳烷（圖片下部分子）和原子力顯微鏡的一氧化碳針尖。原子力顯微鏡針尖處的氧原子（紅色）與螺槳烷的氫原子（白色）之間的作用力和距離的測量結果與計算精確吻合。氫是宇宙中最為常見的元素，同樣也是幾乎所有的有機化合物的組成部分。分子之間或高分子的各部分之間，就是通過氫原子進行連接的，這種相互作用被稱之為氫鍵。蛋白質和核酸的很多特定的性質就是由氫鍵決定的，另外，氫鍵還保證了水具有較高的沸點。因此氫鍵在自然界中佔有非常重要的地位。
  • 氫鍵
    氫原子與電負性大
  • 氫鍵的基本概念和表徵方法
    正是由於氫鍵的存在影響著很多物質的性質，其在化學、物理、生物等領域都非常重要，一直是化學家們感興趣的熱門領域之一。氫鍵可通過各種實驗方法來表徵，如紅外光譜測定法、拉曼光譜測定法、氣相微波旋轉光譜學、中子非彈性散射、核磁共振、氘核四級耦合、氘核衍射、X光衍射等等。因此，在本文中，筆者對氫鍵的常用測試表徵手段進行了匯總，並引用了相關具體實例。