化合物分子之间氢键数目的计算

卓颖

摘要：在高考化学试题中有一类问题是要求学生求算化合物分子之间的氢键数目，到底是按照电负性大的原子上的孤电子对数来计算，还是与分子中氢原子数目有关？本文从不同角度对此问题进行了分析，得出的结论是与这两个因素中数目少的来决定。

关键词：氢键；氢键键能；孤电子对；氢键数目

氢键是已经以共价键与其他原子键合的氢原子与另一个原子之间产生的分子间作用力，是除范德华力外的另一种常见分子间作用力。通常，发生氢键作用的氢原子两边的原子必须是强电负性原子，如图一所示（这些是传统意义上的9种可能的氢键）：尽管S和Cl也能产生弱氢键；甚至在某些特定化学环境下，如氯仿分子与丙酮分子之间也会产生氢键：，但在一般化学环境中的C—H···O“氢键”可忽略不计。氢键的键能介乎范德华力与共价键键能之间，最高不超过40kJ·mol-1见表一：

氢键的研究最早源于对冰的熔点、沸点出奇地高的解释。只要把水和氧族其他元素的氢化物一对比，就看得很清楚（见图二），如果按照H2S、H2Se、H2Te的熔沸点变化趋势向水外推，推测的水的熔沸点应在-120℃至-100℃左右！按照水分子的实测极性和极化率计算上节讨论的取向力、诱导力和色散力，求得冰中水分子间的范德华力跟用冰的其他物理性质计算的分子间作用力小得太多，这表明水分子之间存在一种未知的力见图三：从图中可以看出冰晶体中水分子的取向说明这种力发生在水中键合的氢原子与另一个水分子的氧原子上的孤对电子之间，而且可以判断出1mol冰中理论上的氢键数目为2NA个，那么对于能形成氢键的化合物分子之间的氢键数目应该怎么计算呢？

对于一个水分子来說，氧原子上的孤对电子数目为两对，氢原子数目为2，根据水分子的杂化轨道模型可知，氢键的方向与氧原子的孤对电子的取向有关，因为氢键像共价键一样也是存在方向性和饱和性的，所以每摩尔冰中只有2NA个氢键。那么别的分子如何计算呢？比如HF分子、NH3分子，H3BO3分子等。根据氢键的方向性和饱和性，以及它们分子之间氢键的示意图可以看出，HF分子、NH3分子，H3BO3分子之间的氢键数目分别应该是NA、NA、3NA个，看来存在氢键的分子之间的氢键数目不仅与电负性大的原子上的孤电子对数有关，也与分子中氢原子数目有关，到底取决于哪个因素呢？从归纳来看，应该与这两个因素中数目少的来决定。

化合物分子一个分子中电负性大的原子上的孤电子对数分子中氢原子数目每摩尔分子之间理论上所能形成的氢键数目

H2O222NA

HF31NA

NH313NA

H3BO3633NA

参考文献：

[1]无机化学上册第四版.北京师范大学.华中师范大学.南京师范大学无机化学实验室.高等教育出版社

[2]无机化学第四版.天津大学无机化学教研室.高等教育出版社

[3]无机化学下册第三版.吉林大学.武汉大学.南开大学宋天佑.徐家宁.程功臻.王莉主编.高等教育出版社

（作者单位：陕西省西安交大附中710054）