氫鍵︰形成的條件及影響

上回講到的范德華力是由分子間微弱的靜電引力組成。如果某分子能組成更多范德華力(如有一個適合的形狀及更大的表面面積)，就需要更多能量分拆分子，該物質就會有更高的沸點、溶點及密度。如果分子有較強的分子間引力(Intermolecular force)，這些物質一樣有高沸點、溶點及密度。

要解釋落去先要講返極性分子，其Intermolecular force(如范德華力)來自分子間的正負吸引力︰

當分子中不同原子的電負差(electronegativity difference)越大，分子電荷越大，分子之間的引力就越大。換句話說，如果將氫(hydrogen)這個電負性低的原子和Nitrogen, oxygen & fluorine等電負性高的原子組合起來就得出特別強的Intermolecular force。這稱為氫鍵(Hydrogen bond)。

某分子要互相組成氫鍵需具兩個基本條件︰

1.          該分子具有最少一個氫原子(At least 1 hydrogen atom is present in the molecule，否則它如何稱為氫鍵)

2.          該氫原子和另一個N, O或F原子以共價鍵連接著
(The hydrogen atom should be bonding to a N, O or F atom)

這意味著分子需有H-N, H-O或H-F等組合才可互相組成氫鍵，所以水(H₂O)、氨(NH₃)及氟化氫(HF)都有氫鍵。

 

(氫鍵和范德華力都會用虛線表示，所以畫圖一定要註明該虛線是哪一種intermolecular force)

要更了解氫鍵就要知它如何影響不同物質的特性︰

1.          高溶點及沸點(High melting point and boiling point)

氫鍵比范德華力強得多，所以相對分子質量(Relative molecular mass, R.M.M.)相若的物質中，具氫鍵的會有較高的溶點和沸點︰

Substance	Fluoromethane	Methanol
Formula	CH3F	CH3OH
R.M.M.	34	32
Melting point (oC)	-137.8	-97.6
Boiling point (oC)	-78.4	64.7

再比較Group IV, V, VI & VII的氫化物的溶點和沸點。Group IV的氫化物(CH₄, SH₄, GeH₄及SnH₄)的溶點和沸點隨著相對分子質量(relative molecular mass)以至范德華力增加而上升。

Group V, VI & VII的氫化物亦有類似趨勢(如PH₃, AsH₃及SbH₃)，但最輕的NH₃, H₂O及HF的溶點和沸點反而特別高，就是因為這些分子之間的氫鍵比范德華力強的緣故。

2.          水溶性(Solubility)

溶質(solute)能否溶於溶劑(solvent)視乎兩者的粒子能否互相產生引力，而能否互相產生引力就視乎Intermolecular force是否相若。Intermolecular force差別大的分子會各自組成引力、互不相連。所以分子和人一樣都會埋堆，只要具相似Intermolecular force就能互相連結、溶解。主要以氫鍵連結的物質就可以溶於水︰

而分子主要以范德華力連結的物質就可以溶於有機溶劑︰

(其實有機溶劑亦只是在室溫為液體而具簡易分子結構的物質)

而上述兩類分子卻不能互相溶解。

這現象可稱為Like dissolve like principle(相似相溶)。有些分子同時具范德華力及氫鍵就可同時溶解於水及有機溶劑等物質，所以酒精(ethanol)可以同時溶解水和油及有機顏料等具簡易分子結構的物質。

要小心高溶點及沸點的物質不一定溶於水中。我們了解有兩款簡單分子結構的物質會有較高的溶點及沸點︰

I.      具范德華力及高相對分子質量(如iodine)，因為分子間有比較多范德華力，所以需更多能量拆散這些連結

II.     具氫鍵 (如NH₃)，因為分子間有較強的氫鍵

前者的Intermolecular force不強，只是夠多，所以它們溶於有機溶劑而不溶於水；後者Intermolecular force很強，所以它們溶於水而不溶於有機溶劑。

3.          水的張力(surface tension)

水分子之間的氫鍵令水的張力比有機溶劑的張力高，以下3個常見例子都可解釋水的張力有多強︰

Ø   水之所以可以形成水珠亦是因為水強大的張力能承受水的重量而令

Ø   即使某些昆蟲的密度比水高，它們依然會浮在水面上。

Ø   大家試過跳水的話就知落水的一刻有多痛，這是因為水的張力向跳水者施加反作用力。更極端的例子要數美國舊金山的金門大橋，這條「自殺之橋」每年都有不少人來此跳橋自盡，跳橋者撻落水面時會因強勁的衝擊力加上水的張力而撞死、內臟及脊椎亦會受到喫重損害，即使落水一刻未死亦會因昏迷或遇溺而死，因此至今只有2%的自殺者生還。

4.          冰的水分子結構

當水變成冰時，水分子會互相以氫鍵連著，組成一個形似鑽石的分子結構。這些水分子形成一個又一個的四面體，令當中儲藏不少空位。而水分子在液體時會和其他水分子組成氫鍵之餘不會形成空位，所以冰的密度比水還要低。

5.          二聚體 (Dimer)

這個是羧酸(alkanoic acid)獨有的特性。它的羧基(carboxylic group, -COOH)令它可以和其他分子組成氫鍵。在純乙酸(Ethanoic acid, r.m.w. = 60)，兩個乙酸分子會結合會組成二聚體，所以用質譜儀(mass spectrometer)分析該羧酸中會得出雙倍的相對分子質量 (r.m.w. = 120)。

         

有關具氫鍵分子的比較及氫鍵和有機化合物的關係下回再講。