氢键对水的结构和性质的影响及其应用前景

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1、氢键对水的结构和性质的影响及其应用前景（北京大学公共卫生学院06级2班史睿智90609226）摘要：本文介绍氢键，氢键的协同效应，及其在结构性质方面对水的影响，并讨论了氢键与超分子化学的联系和氢键的广泛地应用前景。关键词：氢键水的结构性质影响超分子化学水是大自然赋予我们的宝贵资源，也是人类赖以生存的必要条件，关于水的结构与功能的研究已成为当今科研前沿的热点之一，其深层研究可望为揭示物理[1-3]化学、生命科学等领域的本质问题提供有力工具。在研究对水结构的影响之中，氢键是不容忽视的，那么它究竟对水有什么样的影响呢？1．关于氢键氢键（HydrogenBondi

2、ng）是指与电负性极强的元素X相结合的氢原子和另一分子中电负性极强的原子Y之间形成的一种弱键。可以表示成X—H…Y。氢键虽然是一种弱键，但由于它的存在，物质的性质出现了反常现象，在形状结构等方面受到了很大的影响。氢键由于广泛存在于化合物中，因此在研究化合物的性能时，氢键起着重要的作用。那么为什么氢键是影响化合物性质的一个重要因素呢？氢键的键能介于共价键和范德华力之间，其键能小，形成或破坏所需的活化能也小，加上形成氢键的结构条件比较灵活，特别容易在常温下引起反应和变化，所以氢键成为影响化合物性质的一个重要因素。氢键的协同效应：一般认为，水中的氢键形态呈随机性

3、，被选择的水分子也呈随机性，由于氧原子周围四个价电子中的两个可以与其它水分子形成氢键，故此形成氢键受体的水分子的成键几率均为50%。当单体水分子形成四氢键时(两个氢键为给体，两个氢键为受体)，无论是从统计学分析还是从能量角度推演，都必然使水分子[4]趋向多分子的团簇结构，它们的氢键链即O―H…O―H…O呈现协同效应，断裂第一个氢键最难，下一个次之，依此类推，所以在氢键定位的大分子化合物中，容易发生解链(如核酸的解链)。氢键的协同效应是液态水的基本特性，此种情况下的氢键强度约为二元水单体氢键强度的2.5倍。氢键协同作用的本质就是其作为受体的行为强化了其作为给

4、体的行为，换言之，由于水分子接受其它分子的氢原子的空轨道形成氢键，这种行为有利于此水分子的两个具有空轨道的氢原子与其它水分子形成新的氢键。当然这种行为过程也存在阻抗效应，即单体水分子的两个孤对电子中的其一作为受体形成氢键，这必然弱化另外一个形成氢键的能力。但从分子整体稳定性角度看，既有作为给体的氢键又有作为受体的双氢键水分子比具有给体氢键或受体氢键的单体水分子更加稳定，故此推测最开始形成的两氢键(一个给体氢键，一个受体氢键)形成分子的最强氢键。考虑分子间氢键的平均强度，断开一个氢键弱化了其周围的氢键作用，形成一个氢键则增强了其周围氢键的协同作用，因此目前普

5、遍认同的一种观点为：由于氢键的协同作用可使水分子以大的团簇结构[5]存在，据估算，0℃下氢键化的水分子簇内分子个数为400左右。实际上水中不仅存在强氢键的协同作用，还存在大量的弱氢键，这种弱氢键[6]势能限制了相邻氢键的势能，并且可以持续几个分子层，与之相比，强氢键的协同作用影响距离则要长得多。在高温下(>100℃)弱氢键可以被观察到，能量在17～23kJ/mol，此时大部分氢键被破坏，弱氢键则显示出很强的弱化协同作用能力。高温下氢键的断裂不仅因为高能条件下的布朗运动所导致，而且随着温度的升高氢键给体能力也呈现明显的下降趋势，大约每100℃降低10%。2．

6、对水的性质的影响2.1对水的沸点和熔点影响对于有机物，分子间通过氢键缔合起来，熔沸点高、挥发性低（参看表1，2）。那么同理，对于水而言，由于要克服分子间氢键，水的沸点相对同分子量的物质也是较高的。此外，水的比热也较高。这是因为水无论是蒸发还是说吸热，只要向着熵增加的方向进行，都要克服氢键的影响而使这一过程变的更加困难。表1分子间氢键对分子量相当的有机物的沸点的影响化合物及分子分子有无氢键情沸点（℃）沸点差值（℃）式量况CH3OH32有65153.6CH3CH330无－88.6HCOOH46有101124CH3OCH346无—23101.5CH3CH3OH4

7、6有78.5CH3CHO44有2163CH3CH2CH344无—42C6H5OH94有18170C6H5CH392无111表2分子间氢键对分子量相近的有机物的熔点影响化合物及分子分子有无氢键情熔点（℃）熔点差值（℃）式量况CH3OH32有97.585.8CH3CH332无183.8对硝基苯酚139有分子间氢11570邻硝基苯酚139键45有分子内氢键C6H5OH92有41136C6H5CH392无95CH3CHO44有12168.7CH3CH2CH344无189.72.2对水中物质的溶解度的影响物质的溶解性一般遵循“相似相溶”的规则，从结构的角度来看，常用

8、的极性溶剂—水，其分子之间存在较强的氢键，水分子即可提供H生成氢键