化合物分子之間氫鍵數目的計算

卓穎

摘要：在高考化學試題中有一類問題是要求學生求算化合物分子之間的氫鍵數目，到底是按照電負性大的原子上的孤電子對數來計算，還是與分子中氫原子數目有關？本文從不同角度對此問題進行了分析，得出的結論是與這兩個因素中數目少的來決定。

關鍵詞：氫鍵；氫鍵鍵能；孤電子對；氫鍵數目

氫鍵是已經以共價鍵與其他原子鍵合的氫原子與另一個原子之間產生的分子間作用力，是除范德華力外的另一種常見分子間作用力。通常，發生氫鍵作用的氫原子兩邊的原子必須是強電負性原子，如圖一所示（這些是傳統意義上的9種可能的氫鍵）：盡管S和Cl也能產生弱氫鍵；甚至在某些特定化學環境下，如氯仿分子與丙酮分子之間也會產生氫鍵：，但在一般化學環境中的C—H···O“氫鍵”可忽略不計。氫鍵的鍵能介乎范德華力與共價鍵鍵能之間，最高不超過40kJ·mol-1見表一：

氫鍵的研究最早源于對冰的熔點、沸點出奇地高的解釋。只要把水和氧族其他元素的氫化物一對比，就看得很清楚（見圖二），如果按照H2S、H2Se、H2Te的熔沸點變化趨勢向水外推，推測的水的熔沸點應在-120℃至-100℃左右！按照水分子的實測極性和極化率計算上節討論的取向力、誘導力和色散力，求得冰中水分子間的范德華力跟用冰的其他物理性質計算的分子間作用力小得太多，這表明水分子之間存在一種未知的力見圖三：從圖中可以看出冰晶體中水分子的取向說明這種力發生在水中鍵合的氫原子與另一個水分子的氧原子上的孤對電子之間，而且可以判斷出1mol冰中理論上的氫鍵數目為2NA個，那么對于能形成氫鍵的化合物分子之間的氫鍵數目應該怎么計算呢？

對于一個水分子來說，氧原子上的孤對電子數目為兩對，氫原子數目為2，根據水分子的雜化軌道模型可知，氫鍵的方向與氧原子的孤對電子的取向有關，因為氫鍵像共價鍵一樣也是存在方向性和飽和性的，所以每摩爾冰中只有2NA個氫鍵。那么別的分子如何計算呢？比如HF分子、NH3分子，H3BO3分子等。根據氫鍵的方向性和飽和性，以及它們分子之間氫鍵的示意圖可以看出，HF分子、NH3分子，H3BO3分子之間的氫鍵數目分別應該是NA、NA、3NA個，看來存在氫鍵的分子之間的氫鍵數目不僅與電負性大的原子上的孤電子對數有關，也與分子中氫原子數目有關，到底取決于哪個因素呢？從歸納來看，應該與這兩個因素中數目少的來決定。

化合物分子一個分子中電負性大的原子上的孤電子對數分子中氫原子數目每摩爾分子之間理論上所能形成的氫鍵數目

H2O222NA

HF31NA

NH313NA

H3BO3633NA

參考文獻：

[1]無機化學上冊第四版.北京師范大學.華中師范大學.南京師范大學無機化學實驗室.高等教育出版社

[2]無機化學第四版.天津大學無機化學教研室.高等教育出版社

[3]無機化學下冊第三版.吉林大學.武漢大學.南開大學宋天佑.徐家寧.程功臻.王莉主編.高等教育出版社

（作者單位：陜西省西安交大附中710054）