比較不同物質的氫鍵
從上文比較不同物質的沸點就會發現氫鍵都比范德華力更強，純粹預測這兩種物質的物理性質難度不大。不過如果要比較幾隻具氫鍵的物質就較為複雜。我們可以從最簡單的NH3、H2O和HF講起。比較它們的沸點會發現H2O的Intermolecular force是最強︰
Molecules
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NH3
|
H2O
|
HF
|
Boiling
point (oC)
|
-33.34
|
100
|
19.54
|
解釋這三隻物質在沸點上的分別可以從氫鍵的強度及密度著手。首先，氫鍵的強度視乎組成氫鍵的電負性差異(electronegativity difference)，簡單來說就是看三款氫鍵(N-H---N, O-H---O及F-H---F)中哪一個組合會有較大的電荷，由於F的電負性最高，所以F-H---F是最強。不過這只解釋為甚麼HF的沸點比NH3高，至於為何H2O的沸點更高就須了解每個分子可組成的氫鍵數量(即密度)。每一組氫鍵須由N / O / F原子的孤電子對(Lone pair)和連接N / O / F的H原子組成，由此可推算三隻物質的分子平均可組成多少氫鍵︰
Molecules
|
NH3
|
H2O
|
HF
|
No. of lone pairs on
N / O / F atom
|
1
|
2
|
3
|
No. of H atom(s) on
N / O / F atom
|
3
|
2
|
1
|
No. of H-bond
per molecule
|
1
|
2
|
1
|
由此可見即使H2O的氫鍵比HF的弱，但氫鍵組成的數量比較多(用英文的說法是more extensive hydrogen bond between water molecules)，所以H2O的沸點最高。
有機物質的氫鍵
氫鍵除了出現在上述三隻無機物質外，還見於官能基內有N / O / F的有機物質(官能基即是Functional group，指決定有機物質的物理及化學性質的一粒或一組原子)。由下列各個同系物(homologous series)的物質中同學可以更清楚氫鍵在不同情況構成會如何影響其物理性質。未學過有機化學中四同學亦可以嘗試理解物理性質的部分，無須勉強理解化合物和官能基的名稱。
(類似資料將來亦出現在講解有機物質的文章，這裡只集中講述氫鍵的影響。)
烷烴(Alkane, CnH2n+2)
烷烴是最簡單及最常見的有機化合物之一，它單純由碳和氫以單鍵組成，是煤、石油及天然氣(Coal, petroleum & natural gas)的主要成分。
Alkane
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Methane (CH4)
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Ethane (C2H6)
|
Propane (C3H8)
|
Butane (C4H10)
|
Functional group
(官能基)
|
No functional group
|
|||
Formula
|
CH4
|
H3C—CH3
|
H3C—CH2—CH3
|
H3C—CH2—CH2—CH3
|
Relative
molecular mass
|
16.0
|
30.0
|
44.0
|
58.0
|
Intermolecular force
|
Van der Waals force
|
|||
Boiling point (oC)
|
-161.49
|
-88.5
|
-42.1
|
0
|
Solubility
in water
|
Insoluble
|
|||
烷烴如同一般的有機化合物，其分子都是以微弱的范德華力牽引，所以沸點很低，而且不能溶於水。隨著相對分子質量增加，范德華力會增多、令沸點上升。
醇 (R-OH)
醇是常用的有機化合物之一。
乙醇(ethanol, 即酒精)就是酒的必備成份，其他如Methanol在工業上亦有佔舉足輕重的地位。
Alkanol
|
Methanol
|
Ethanol
|
Propan-1-ol
|
Butan-1-ol
|
Functional group
|
Hydroxyl group (-OH)
|
|||
Formula
|
H3C—OH
|
H3C—CH2—OH
|
H3C—CH2—CH2—OH
|
H3C—CH2—CH2—CH2—OH
|
Relative
molecular mass
|
32.0
|
46.0
|
60.0
|
74.0
|
Intermolecular force
|
Hydrogen bond (due to the presence of –OH group) + van der Waals force
|
|||
Boiling point (oC)
|
64.7
|
78.37
|
97.5
|
117.7
|
Solubility
in water at 25 oC (g/dm3)
|
Miscible
|
Miscible
|
Miscible
|
73
|
醇的-OH令分子可以組成氫鍵，而-OH以外的部分(即烷基alkyl group，如-CH3, -CH2CH3, etc)是非極性，所以這些分子同時有氫鍵及范德華力。整體上醇的沸點比烷烴高就是由於分子之間有較強的氫鍵。不過醇的相對原子質數隨著碳數目而增加，所以會有較多范德華力，令沸點上升。
照道理醇既可組成氫鍵應該都可以溶於水中，但實際上還需考慮不能溶於水的alkyl group︰在碳數目較低的醇(C = 1 - 4, 如上述的醇)，-OH相對的質量較大，所以它們比較溶於水而不太溶於有機溶劑；碳數目較高的醇( C > 4, 如C6H14OH)，Alkyl group的相對質量較大，所以它們比較溶於有機溶劑而不溶於水。
羧酸 (Alkanoic acid, R-COOH)
羧酸的官能基是-COOH，雖然看似同時具有醇和羰基化合物的官能基，但羧酸的化學反應與它們不同。
最常見的羧酸是乙酸(ethanoic acid)，它是醋的有效成份。
Alkanoic acid
|
Methanoic acid
|
Ethanoic acid
|
Propanoic acid
|
Butanoic
acid
|
Functional group
|
Carboxylic group (-COOH)
|
|||
Carbon number
|
1
|
2
|
3
|
4
|
Formula
|
 |
 |
 |
 |
Relative
molecular mass
|
46.0
|
60.0
|
74.0
|
88.0
|
Intermolecular force
|
Hydrogen bond (due to the presence of –COOH group) + van der Waals
force
|
|||
Boiling point (oC)
|
100.8
|
118.5
|
141.15
|
163.75
|
Solubility in water
at 25
oC (g/dm3)
|
Miscible
|
Miscible
|
Miscible
|
Miscible
|
和醇一樣，羧酸的沸點隨著相對分子質量而上升，不過整體上羧酸的沸點比醇高(以同樣的相對分子質量比較沸點，Propanol為97.5 oC；Ethanoic acid為118.5 oC)。這和上回介紹過的二聚體有關係，當兩個羧酸分子以氫鍵互相連結而成為二聚體，它的相對分子質量自然比原先增加兩倍，所以二聚體可以組成較多的范德華力，從而需更多能量才可拆解。
羰基化合物 (Carbonyl compound: Aldehyde or ketone)
羰基化合物具有C=O為官能基，如果C=O的C有連著H就屬於醛 (aldehyde)，沒有連著H則為酮(ketone)。
甲醛應該是大家最常聽到的羰基化合物，賣油漆廣告都會聲稱自己的產品沒有這種室內空氣污染物。甲醛在工業上是製作塑膠(如三聚氰氨)、顏料、炸藥等的原材料，它亦會用於保存屍體。
Carbonyl compound
|
Methanal
|
Ethanal
|
Propanal
|
Propanone
|
Functional group
|
Aldehyde group (RCHO, R = H or alkyl group)
|
Ketone group (RC=OR’,
R or R’ = alkyl group)
|
||
Carbon number
|
1
|
2
|
3
|
3
|
Formula
|
 |
 |
 |
 |
Relative
molecular mass
|
30.0
|
44.0
|
58.0
|
58.0
|
Intermolecular force
|
van der Waals force
|
|||
Boiling point (oC)
|
-19
|
20.2
|
48
|
56.05
|
Solubility in water
at 25
oC (g/dm3)
|
Miscible
|
Miscible
|
20
|
Miscible
|
由於carbonyl compound的O沒有直接連著H，所以它們的分子之間只能組成范德華力，因此沸點比類近重量的醇和羧酸低。不過carbonyl compound一樣可以溶於水。這是由於分子中的氧原子可以和水組成氫鍵︰
有機物質的氫鍵還有兩個類別︰分子間氫鍵(Intermolecular hydrogen
bond)及分子內氫鍵(Intramolecular hydrogen
bond)。我們一直探討的氫鍵屬於前者類型，而後者在某些苯化合物(aromatic compounds, 因為這些物質普遍都散發著香氣)挺常見。水揚酸(Salicylic acid，製造阿士匹靈的原材料)就是最典型的例子︰
分子內氫鍵減少分子之間的氫鍵，所以intermolecular force較弱，沸點比沒有分子內氫鍵的同類分子(有機化學稱為structural isomer)低︰
Salicylic acid
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3-hydroxybenzoic acid
|
|
Structural formula
|
 |
 |
Boiling point (oC)
|
211
|
346
|
雖然這篇文章好像有點扯遠到講述有機化學的部分，但實際上要理解有機化合物的物理性質必先對Intermolecular force有充分的認識，並須同時考慮范德華力及氫鍵兩種吸引力。
由於今次文章篇幅太長，氫鍵剩下的部分會在past paper分析時再講解。
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