当前课程知识点：大学化学 > 第四章 分子结构与化学键理论 > 4.7 氢键 > Video
同学们好
下边我们开始
关于氢键的学习
所谓氢键啊
同学们在中学里边
已经了解了很多
我们在第二章当中
也跟大家一起讨论了
关于水中的氢键的话题
那么今天我们一起来
看一看
氢键到底是怎么形成的
所谓氢键啊是指
H原子与电负性较大的原子
在形成共价型的分子的时候
由于共用电子对
会强烈地偏移向
电负性较大的原子这一方
这时候
H原子几乎呈一个
裸露的状态
这样的裸露状态就意味着
它的核外唯一的电子
偏向于我们共用的
电负性较大的原子了
那么这时候
它就是一种
质子的状态存在了
带有强烈的正电性
带有正电性的
几乎呈裸露状态的质子
它就会与另外一个
电负性较高的
处在相对位置比较靠近的
同时又具有
孤对电子的原子
产生强烈的静电引力
这种原子呢
通常以F、O和N最为常见
孤对电子
与裸露的质子之间
产生的这种静电作用
就是我们已经熟知的氢键
首先要产生氢键
就是共价分子当中
必须有H原子
同时H原子是和
电负性较大的原子
直接相连的
这种相连就使彼此的靠近
使电负性较大的原子
把H原子当中的
核外唯一的电子
强烈地夺向了自己的一方
因为我们知道电负性
描述的就是原子内部
原子对于电子的吸引能力
如果在H原子
与电负性较大的原子
所形成的分子结构当中
由于H原子一端
处在电子的缺乏状态
那么这时候裸露的H原子
成了一个裸露的质子
这个质子就有可能
和其它分子当中的
F、O或者N
也许是和它本身分子当中
所具有的F、O和N等
这些具有强烈的电负性
同时又具有
孤对电子的原子相互作用
这时候就构成了
氢键形成的3个基本的条件
氢键就有可能形成了
以水分子为例
在水分子结构当中
由于孤对电子
对于H-O键的作用
使得水分子没有保持
sp3杂化以后的
109°28′的键角
而被压缩成了104°45′
这样的一个特殊的
键角类型
同时H-O键的键长
是95.84pm
这样的结构
就使得O原子的一端
带有明显的负电性
而H的一端
则带有明显的正电性
水分子的极性
来源于内部的
共价键的非对称结构
而由于水分子
具备了裸露的质子
就是带正电的一端
以及O带有两对的
孤对电子
所以氢键
它的形成条件
就完全具备了
前边我们了解到了
每一个水分子
当它们彼此靠近的时候
可以和相邻的水分子
固定地形成4个氢键
这4个氢键的取向
就包括
我们每一个H-O键
它的延长线方向
与我们另外一个
水分子当中的
O的孤对电子
形成一个氢键
同时
我们的水分子当中的
O的孤对电子
又会沿孤对电子的
原子轨道方向和
另外一个水分子当中的
H-O键当中的
裸露的质子H
发生相互的作用
这种作用的距离呢
是177个pm
它的长度
会比我们的H-O键的长度
要长出近一倍
而我们知道
每一个水分子和
相邻的水分子
形成4个氢键
只在我们的水分子
完全被冻结在
固态的冰当中
才能够实现这样的一个
稳定的4个氢键的
同时存在的状态
这也就是反过来为什么
我们当液态的水
变成固态的冰的时候
水的密度会反常地变小
原因就是
在液态水当中
水分子之间
并不能形成固定数量
固定空间取向的氢键
而在固态的冰当中
却可以依照轨道的取向和
价键的取向
形成固定数量
和固定尺寸的氢键
这也就是为什么
零度的冰
反而比零度的水
它的密度要来得更小
由于氢键的形成与孤对电子
以及价键的空间取向有关
所以
氢键具有方向性
同时 由于氢键
是由裸露的质子
与孤对电子之间
通过共用电子对形成的
像共价键一样
需要共用电子对
那么这时候
氢键也会同样
具有像共价键一样的
饱和性
所以氢键和共价键类似的
就是饱和性和方向性
都是必须具备的
两个客观条件
这也是氢键和离子键
完全不同的一个根本所在
氢键不仅可以形成在
不同的分子之间
在分子内部
也可以形成氢键
只要是刚才我们所讨论的
氢键的3个条件
都同时存在
比如说 我们以
邻位的硝基苯酚来看
在这样的一个结构当中
我们的羟基当中的H
就相当于裸露的质子
而O又可以提供孤对电子
当距离合适的时候
它们就会形成
分子内的氢键
同样的组成
当这样的羟基和硝基
处在一个间位的时候
这时候
虽然还有裸露的质子
有孤对电子
但是空间的位置导致它们
不能够产生
相应的有效的氢键作用
那么间位的硝基苯酚
就不存在
分子内的氢键
但是
存在分子内氢键的
邻位硝基苯酚
由于我们的羟基
已经和O发生了有效作用
所以邻位的硝基苯酚
就往往不再会形成
分子间的氢键
而间位的硝基苯酚呢
由于这样的一个
空间的阻隔
没有形成分子内的氢键
那么 这样合适的
裸露的质子和孤对电子
还会和相邻的分子之间
形成分子间的氢键
所以关于这部分的内容啊
同学们还可以多关注
在其它有机结构当中
相似的氢键的形成规律
氢键的形成会直接影响
分子之间的
相互作用的强度
在分子之间如果形成氢键
分子间的作用力
会大大的增强
因此
物质的熔点、沸点
这些典型的物理性质
会发生明显的升高
而在分子内
形成氢键的时候呢
由于它失去了
分子和分子之间
再形成氢键的机会
这时候
分子内氢键的形成
往往会导致
分子和分子之间的作用减弱
刚才我们谈到的
典型的物理性质
像熔点和沸点呢
反而这时候
会出现降低的现象
我们同样以硝基苯酚为例
这里当它处在
相对的位置的时候
我们叫对硝基苯酚
由于对硝基苯酚
它的一个物理空间的限制
不可能形成分子内的氢键
所以
对硝基苯酚
往往形成的是
分子间的氢键
它的熔点
可以到达113℃左右
而同样组分的邻硝基苯酚
我们刚才讲了
它有足够的条件来形成
分子内的氢键
但是
随着分子内氢键的形成呢
就削弱了
分子与分子间的作用
具有相同组分的
邻硝基苯酚呢
它的熔点
却比我们的对硝基苯酚
大约低了70℃左右
这也就充分地证实了
分子内氢键
是削弱分子间作用的
这样一个
典型的实验的事例
分子间氢键是强化了
分子间的相互作用
分子内氢键是弱化了
分子间的相互作用
从我们的典型的
熔点和沸点的测定上
我们就可以了解
在这种结构当中
到底是形成了分子内氢键
还是分子间氢键
这也帮我们研究
分子之间的相互作用
提供了一个有力的证据
从我们典型的
形成氢键的化合物当中
我们也可以总结出
类似的规律
由于氢键的存在
强化了分子间的相互作用
所以像H2O、HF和NH3
它们的沸点
都比相应的氢化物
要来得高
同样我们可以看熔点上
也有类似的规律
这也就是意味着
分子间的氢键
可以强化分子间的作用
然后导致它们
分子间的作用力增强
熔点和沸点呢
都比相似结构的物质要升高
同时形成氢键可以使
溶质和溶剂分子之间的
作用加强
这样呢可以有力地增加
溶质的溶解度
同时像水这样一个
特殊结构当中
由于氢键的形成
会使水分子之间的
平均距离增加
在前面我们讨论过
水随着温度的降低
水分子的热运动
会逐渐地减缓
密度会逐渐地增加
同时随着热运动的减缓
水分子彼此之间的距离
又在相互靠近
靠近的过程当中
就会在固定的尺度上
形成特殊方向上的氢键
氢键的形成
反而使分子之间
彼此的距离远离
氢键的数量越多
分子之间的平均距离
反而会增大
这种增大的效果会使
水的密度随着温度的降低呢
反常地降低
一个增加 一个降低
两个趋势在4℃的时候
达到了密度的最大
也就意味着
在4℃温度以上
由于温度的降低
热运动的减缓而造成的
密度增加
是占主要的趋势
而在4℃温度范围以下呢
是由于氢键数量的增加
使密度减小
这样的趋势起主导作用
两者综合作用的结果
在4℃的时候
产生了密度最大
而这样的一个
密度变化的规律呢
就使水中的生命
只要能够掌握了
在4℃条件下
能够安全生存的
这样一种本领
那么外界环境
无论是酷暑和严冬
只要水的深度足够
水中的生命就会安然无恙
因此地球上
生命演化和进化的过程
就与水的密度
在4℃这样一个反常最大的
这样一个特性
直接相关
而水的这种特性呢
也成了人们研究和探索
生命进化规律的一个
重要的依据
氢键除了对熔点、沸点
以及溶解度
和密度的影响之外
氢键还可以直接影响
材料的力学性能
这里跟大家分享一个
芳纶纤维的小故事
芳纶纤维俗称Kevlar
这是杜邦公司的
一个著名的产品
其实从组成上
Kevlar并不复杂
它是对苯二甲酰
对苯二胺的单体
通过聚合而成的
一个芳香环的
线状的结构
这种结构当中
具有这样一个
组成单元的
无限的重复
但是
奇妙的是
这种链状的结构呢
却由于氢键的作用
使本来是线性的分子
变成了一个
三维空间的交联结构
交联的当中的
最重要的环节
就是我们的氢键结构
这种氢键是由裸露的质子
和O之间形成的
孤对电子的共用
氢键的形成就使
原本是线性连接的
这样的方式呢
变成了三维的密集的
空间的网络结构
由于这样的
网络结构的形成
使Kevlar纤维
具有了3.6GPa的
超高的弹性模量
和2.8%的超小的断裂伸长率
以这样的材料
所制备的纤维
可以实现小变形条件下的
高阻尼
和高的力学强度的表现
用它所制成的声音单元
可以最大限度地还原
我们的声音的效果
以它的高抗断裂力学性能
可以用来制备我们的
防弹衣和防弹的装甲
这都是我们在生活当中
已经了解的
高模量纤维Kevlar
所带给我们生活和
我们的高技术方面的
新的便利
有关氢键对于物质结构和
力学性能方面的影响关系呢
还有许许多多
有趣的小故事
同学们课后
可以再不断去发觉
氢键在我们生活
在我们身边的小故事
以加深对物质结构方面
知识的补充和理解
有关这节的内容
我们就介绍到这
-1.1 不一样的大学化学
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-1.2 化学体系的建立
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-1.3 应该了解的化学
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-1.4 课程学习的必要准备
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-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
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-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
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-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
--Video
-2.1 物质的聚集状态—等离子体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液晶
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-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
--Video
-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
--Video
-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
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-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
--Video
-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
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-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
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-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
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-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
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-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
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-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
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-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
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-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
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-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
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-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
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-4.1 离子键理论—离子键价键构型
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-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
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-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
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-4.2 共价键理论—现代价键理论
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-4.2 共价键理论—共价键的性质
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
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-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
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-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
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-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
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-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
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-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
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-4.6 分子间作用力-分子的极性
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-4.6 分子间作用力-分子间作用力
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-4.7 氢键
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-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
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-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
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-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
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-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
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-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
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-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
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-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
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-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
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-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
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-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
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-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
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-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
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-7.1 自发过程与自发反应（二）
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵
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-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
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-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
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-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
--Video
-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
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-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
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-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
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-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
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-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
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-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
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-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
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-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
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-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
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-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
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-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
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-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
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-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
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-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
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-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
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-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
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-9.1 酸碱平衡—同离子效应
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
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-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
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-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
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-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
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-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
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-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
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-10.2 原电池与电极电势—原电池
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
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-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
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-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
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-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
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-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
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-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
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-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
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-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
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-无机元素化学-p区元素
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-无机元素化学-过渡元素
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-生命化学概论-生命有机化合物官能团
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-生命化学概论-生命元素-碳
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-生命化学概论-生命元素-氧
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-生命化学概论-蛋白质
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-生命化学概论-核酸
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-生命化学概论-糖
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-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
--Video
-生命化学概论-药物
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-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
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-纳米科学与化学-微观结构与仿生
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-纳米科学与化学-纳米结构的观察
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-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
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-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
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-化学与材料-正渗透与水处理技术
--Video
-化学与材料-相变材料（一）
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-化学与材料-相变材料（二）
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-化学与材料-范德华力与二维材料
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-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
