氢键

氫鍵是これ分子ぶんし間あいだ作用さよう力りょく的てき一いち種しゅ，是ぜ一いち种永久えいきゅう偶极之これ间的作用さよう力りょく，氢键发生在ざい已やめ经以共きょう价键与あずか其它原子げんし键结合あい的てき氢原子げんし与あずか另一个原子之间（X-H…Y），通常つうじょう发生氢键作用さよう的てき氢原子げんし两边的てき原子げんし（X、Y）都みやこ是ただし电负性せい较强的てき原子げんし。氢键既すんで可か以是分子ぶんし间氢键，也可以是分子ぶんし内ない的てき^[1]。其键能最大さいだい约为200kJ/mol，一いち般为5-30kJ/mol，比ひ一般いっぱん的てき共きょう价键、离子键和わ金属きんぞく键键能要よう小しょう，但ただし强つよ于静せい电引力りょく。

氢键对于生物せいぶつ高分子こうぶんし具有ぐゆう尤ゆう其重要じゅうよう的てき意い义，它是蛋白たんぱく质和わ核酸かくさん的てき二に、三さん和わ四よん级结构得とく以稳定じょう的てき部分ぶぶん原因げんいん。

成なり键

氢键通常つうじょう可用かようX-H…Y來らい表示ひょうじ。其中X以共价键与氢相连，具有ぐゆう较高的てき电负性せい，可か以稳定てい负电荷に，因いん此氢易えき解かい离，具有ぐゆう酸性さんせい（质子给予体たい）。而Y则具有ぐゆう较高的てき电子密度みつど，一般いっぱん是ぜ含有がんゆう孤こ电子对的てき原子げんし，容易ようい吸引きゅういん氢原子げんし，从而与X和わH原子げんし形成けいせい三さん中心ちゅうしん四よん电子键。

键能

氢键键能大だい多た在ざい25-40kJ/mol之の间。一般认为键能小於25kJ/mol的てき氢键属ぞく于较弱じゃく氢键，键能在ざい25-40kJ/mol的てき属ぞく于中等とう强度きょうど氢键，而键能のう大だい於40kJ/mol的てき氢键则是较强氢键。^[2] 曾经有ゆう一度认为最强的氢键是[HF₂]⁻中なか的てきFH…F⁻键，计算出さんしゅつ的てき键能大だい约为169kJ/mol。^[3] 而事实上，用よう相しょう同どう方法ほうほう计算甲きのえ酸さん和わ氟离子こ间的[HCO₂H…F⁻]氢键键能，结果要よう比ひHF₂⁻的まと高だか出で大だい约30kJ/mol。^[4]

**常つね见氢键的气态解かい离能数すう据すえ，单位为kJ/mol**^[2]
较弱		中等ちゅうとう		较强
HSH…SH₂ NCH…NCH H₂NH…NH₃ MeOH…OHMe HOH…OH₂	7 16 17 19 22	FH…FH ClH…OMe₂ FH…OH₂	29 30 38	HOH…Cl⁻ HCONH₂…OCHNH₂ HCOOH…OCHOH HOH…F⁻ H₂OH⁺…OH₂ FH…F⁻ HCO₂H…F⁻	55 59 59 98 151 169 ~200

常つね见氢键的平均へいきん键能数すう据すえ为：

F—H $\cdots$ :F （155 kJ/mol 或ある 40 kcal/mol）
O—H $\cdots$ :N （29 kJ/mol 或ある 6.9 kcal/mol）
O—H $\cdots$ :O （21 kJ/mol 或ある 5.0 kcal/mol）
N—H $\cdots$ :N （13 kJ/mol 或ある 3.1 kcal/mol）
N—H $\cdots$ :O （8 kJ/mol 或ある 1.9 kcal/mol）
HO—H $\cdots$ :OH₃⁺ （18 kJ/mol^[5] 或ある 4.3 kcal/mol）

成なり键原子げんし

典型てんけい的てき氢键中ちゅう，X和わY是ぜ电负性せい很强的てきF、N和わO原子げんし。但ただしC、S、Cl、P甚至Br和わI原子げんし在ざい某ぼう些情况下也能形成けいせい氢键^[2]，但ただし通常つうじょう键能较低。

碳在与あずか数かず个电负性强的ごうてき原子げんし相しょう连时也有やゆう可能かのう产生氢键。例れい如在氯仿CHCl₃中なか，碳原子げんし直接ちょくせつ与あずか三个氯原子相连，氯原子げんし周しゅう围电子云うん密度みつど较大，因いん而氢原子げんし周しゅう围即带有部分ぶぶん正せい电荷，碳也因いん此参与さんよ了りょう氢键的てき形成けいせい，扮ふん演えんじ了りょう质子供こども体たい的てき角かく色しょく。

芳香ほうこう环、碳碳三さん键或双そう键在ざい某ぼう些情况下都と可か作さく为电子供こども体たい，与あずか强つよ极性的てきX-H（如-O-H）形成けいせい氢键。

方向ほうこう

X-H…Y往往おうおう不ふ是ぜ严格的てき直ちょく线。^[6] 哪怕不ふ算さん分ぶん叉また的てき氢键，一对一的氢键中也有很多键角处在150°-180°之の间的情じょう况，氟化氢长链中的てき氢键即そく是ぜ一いち例れい。^[2]

对称氢键

通常つうじょう氢是通どおり过共价键与X原子げんし相しょう连，并通过较长和较弱的てき“氢链”与あずかY原子げんし连接，即そく使つかいX与あずかY是ぜ相しょう同どう的てき元素げんそ，X-H和わH…Y距离也往往おうおう不ふ相等そうとう。但ただし在ざいM⁺HA₂⁻型かた的てき酸さん式しき盐中なか，其中A是ぜF⁻或ある某ぼう些有机つくえ酸さん（如乙おつ酸さん和わ苯甲酸さん），氢原子げんし恰好かっこう处于X和わY原子げんし的てき中心ちゅうしん（X-H…Y）。这一类例子被称作对称氢键，它们往往おうおう键能较大，键长较短。^[7]

对称氢键和わ不ふ对称氢键的てき现象往往おうおう难以解かい释。一个比较认同的解释是，将はたFHF⁻离子中ちゅう的てき氢键看み成なり氢桥，类似于乙おつ硼烷中なか的てきBHB硼桥键。只ただ不ふ过硼桥键是ぜ三中心两电子键，而氢桥键是ぜ三さん中心ちゅうしん四よん电子键。^[7]

双そう氢键

1995年ねん以来いらい，报道了りょう许多种分子ぶんし间存在そんざい一种被称为双そう氢键的てき新型しんがた分子ぶんし间力，可用かよう通どおり式しきAH…HB表示ひょうじ。^[8] 双そう氢键的てき键长一般いっぱん小しょう于220pm，极限可能かのう为270pm，键能从n~n*10kJ/mol不等ふとう，相当そうとう于传统分子ぶんし间力能のう量りょう数量すうりょう级。双そう氢键的てき一いち些例子こ包括ほうかつ：BH₄⁻…HCN、BH₄⁻…CH₄、LiH…NH₄、LiH…HCN、LiH…HC≡CH，CH₄…H-NH₃⁺和わH-Be-H…H-NH₃等ひとし，其中以BH₄⁻…HCN双そう氢键的てき键长为最短さいたん（171pm），键能也最高だか（75.44kJ/mol），远大于水和わHF间的氢键键能。目前もくぜん对双氢键的てき研究けんきゅう还不是ぜ很深入ふかいり。

分子ぶんし間あいだ氫鍵

醇あつし、酚、羧酸、胺、醯胺、醣類均ひとし常つね有ゆう。
常つね形成けいせい二に聚體或ある聚合物ぶつ，尤ゆう其在低てい極性きょくせい溶液ようえき或ある蒸氣じょうき狀態じょうたい時じ。例れい如：乙おつ酸さん二に聚體、氟化氫鏈狀じょう聚合物ぶつ與あずか環狀かんじょう六ろく聚體。
常つね形成けいせい空洞くうどう結構けっこう降くだ低ひく固かた態たい密度みつど。例れい如：冰中每ごと個こ水みず分子ぶんし都と按四面體めんてい方向ほうこう參與さんよ4個こO-H…O氫鍵，平均へいきん每ごと分子ぶんし二に氫鍵，鍵かぎ能のう18.8kJ/mol。水分すいぶん子こ在ざい晶あきら體たい結構けっこう中空なかぞら間あいだ占有せんゆう率りつ較低，存在そんざい六ろく邊へん形がた空洞くうどう，故こ冰的密度みつど較小。熔化時じ破壞はかい部分ぶぶん氫鍵，熔化熱ねつ5.0kJ/mol，故こ剛つよし熔化的てき水中すいちゅう仍有大量たいりょう的てき氫鍵，並なみ隨ずい溫度おんど增ぞう高だか更さら多た氫鍵斷だん裂きれ，使つかい密度みつど增大ぞうだい。在ざい4℃時じ，受熱使し分子ぶんし間あいだ距增大ぞうだい造成ぞうせい密度みつど減げん小しょう的てき趨勢すうせい與あずか受熱使し氫鍵斷だん裂きれ造成ぞうせい密度みつど增加ぞうか的てき趨勢すうせい相等そうとう，因いん此此時水ときみず密度みつど最大さいだい。這個溫度おんど對たい於水中ちゅう生物せいぶつ至いたり關せき重要じゅうよう，它保證ほしょう了りょう冬季とうき時じ水中すいちゅう生物せいぶつ不ふ至いたり於因為ため水すい結ゆい冰而死亡しぼう。
常つね增加ぞうか表面張力ひょうめんちょうりょく，分子ぶんし間あいだ氫鍵形成けいせい彈性だんせい薄膜うすまく。例れい如水にょすい。
常つね增加ぞうか比熱ひねつ，因いん為ため受熱時じ氫鍵吸收きゅうしゅう能のう量りょう斷だん裂きれ。例れい如水にょすい。
常つね增加ぞうか莫耳汽化熱ねつ與あずか沸點ふってん，因いん汽化須破壞はかい氫鍵。例れい如：
- PH₃<AsH₃<NH₃<SbH₃<BiH₃，NH₃有ゆう氫鍵故こ沸點ふってん上じょう升ます（惟おもんみ氫鍵較弱），其餘依よ分子ぶんし量りょう。
- H₂S<H₂Se<H₂Te<H₂O，H₂O有ゆう氫鍵故こ沸點ふってん上じょう升ます，其餘依よ分子ぶんし量りょう。
- HCl<HBr<HI<HF，HF有ゆう氫鍵故こ沸點ふってん上じょう升ます，其餘依よ分子ぶんし量りょう。
常つね增加ぞうか莫耳熔化熱ねつ與あずか熔點，但ただし增加ぞうか量りょう常つね較沸點てん小しょう，因いん為ため熔化僅須打破だは部分ぶぶん氫鍵以破壞晶格かく。另外，熔點受晶あきら體からだ堆積たいせき方式ほうしき等とう影響えいきょう，較難以預測はか。
常つね增加ぞうか在ざい極性きょくせい溶劑ようざい中なか的てき溶解ようかい度ど（同類どうるい互溶），尤ゆう其在也有やゆう氫鍵的てき溶劑ようざい中ちゅう，因よし為ため溶質ようしつ與あずか溶劑ようざい間あいだ氫鍵與あずか偶極-偶極力りょく。例れい如：氨、氟化氫在ざい水中すいちゅう的てき高だか溶解ようかい度ど。
結晶けっしょう水すい合ごう物ぶつ中ちゅう存在そんざい由よし氫鍵構建的てき類るい冰骨架か，其中可か裝そう入にゅう小しょう分子ぶんし或ある離はなれ子こ。例れい如：甲きのえ烷水合ごう物ぶつ。

分子ぶんし內氫鍵かぎ

通常つうじょう，形成けいせい分子ぶんし內氫鍵かぎ後ご，須圍成なり五ご、六ろく或ある七なな員いん環たまき，才ざい是ぜ穩定的てき結構けっこう，故こ分子ぶんし內氫鍵かぎ多發たはつ生せい於順じゅん式しき或ある鄰位。如順じゅん丁ひのと烯二に酸さん、鄰苯二に酚、鄰羥基もと苯甲醛（水楊かわやなぎ醛）、鄰羥基もと苯甲酸さん（水楊かわやなぎ酸さん）。
常つね使つかい酸性さんせい增強ぞうきょう，因いん為ため分子ぶんし內氫鍵かぎ促進そくしん了りょう未み參與さんよ氫鍵的てき氫自氫鍵的てき受體上じょう解離かいり。例れい如：苯甲酸さん的てきpKa=11.02；鄰羥基もと苯甲酸さん（水楊かわやなぎ酸さん）可か形成けいせい一いち個こ分子ぶんし內氫鍵かぎ，pKa=11；2,6-二羥基苯甲酸（γがんま-間あいだ羥基苯甲酸さん）可か形成けいせい兩個りゃんこ分子ぶんし內氫鍵かぎ，pKa=8.3。
常つね使つかい熔沸點てん降くだ低てい，因いん與あずか其他分子ぶんし間あいだ作用さよう力りょく減げん小しょう。例れい如：鄰苯二に酚、鄰氯苯酚、鄰硝基もと苯酚的てき沸點ふってん均ひとし較間位い與あずか對たい位い者しゃ低てい。
加熱かねつ時じ常つね被ひ破壞はかい。
常つね增加ぞうか耐酸たいさん鹼性，因いん質しつ子こ化か或ある去さ質しつ子こ化か須破壞はかい分子ぶんし內氫鍵かぎ。
可能かのう造成ぞうせい一いち種しゅ異い構物優ゆう於另一いち種しゅ。例れい如：反はん丁ひのと烯二に酸さん較具有ぐゆう分子ぶんし內氫鍵かぎ的てき順じゅん丁ひのと烯二に酸さん位くらい能のう更さら低てい而更穩定、2,4-戊つちのえ二に酮的てき烯醇形式けいしき（有ゆう分子ぶんし內氫鍵かぎ）與あずか酮形式しき（無む分子ぶんし內氫鍵かぎ）分別ふんべつ在ざい氣き相しょう與あずか極性きょくせい液體えきたい中ちゅう更さら優ゆう。^{[來らい源みなもと請求せいきゅう]}
常つね增加ぞうか在ざい極性きょくせい溶劑ようざい中ちゅう的てき溶解ようかい度ど，尤ゆう其也有ゆう氫鍵的てき溶劑ようざい，因いん為ため：
- 溶質ようしつ與あずか溶劑ようざい間あいだ氫鍵與あずか偶極-偶極力りょく。
- 溶質ようしつ分子ぶんし間あいだ作用さよう力りょく小しょう，在ざい溶劑ようざい中易なかやす瓦解がかい。例れい如：順じゅん式しき丁ひのと烯二酸在水中的溶解度高於反式丁烯二酸^[9]。
常つね增加ぞうか黏度。例れい如：甘あま油あぶら（丙へい三さん醇あつし）和わ硫酸りゅうさん有ゆう較高的てき黏度、丙へい三さん醇あつし黏度>乙おつ二に醇あつし黏度>乙おつ醇あつし黏度。
常見つねみ於，羥基的てきH，與あずか苯環上うえ鄰位，或ある順じゅん式しき鏈（包含ほうがん無む分ぶん順じゅん反はん的てき鏈）同どう側がわ上じょう（包含ほうがん無む分ぶん側がわ之の可か旋轉せんてん單たん鍵かぎ上じょう）的てき羰基（包含ほうがん酮基、羧基、醛基等とう中なか的てき羰基）、硝基或ある另一羥基的てきO，或ある鹵取代だい基もと（通常つうじょう是ぜ氟），形成けいせい氫鍵。例れい如：順じゅん丁ひのと烯二に酸さん（順じゅん式しき羧基H-羧基O）、2-羥基苯甲酸さん（鄰位羥基H-羧基O）、2-羥基苯甲醛（鄰位羥基H-醛基O）、2-氟苯甲かぶと酸さん（鄰位羧基H-氟取代だい基もと）、1,2-苯二に酚（鄰位羥基H-羥基O）、2-硝基苯酚（鄰位羥基H-硝基N）、丙へい二に酸さん（可か旋轉せんてん鏈羧基もとH-羧基O）、2-羥基苯乙酮（鄰位羥基H-酮基O）。
常つね形成けいせい聚合物ぶつ，並なみ常つね為ため螺旋らせん狀じょう。例れい如：C=O…H-N氫鍵使し蛋白質たんぱくしつ形成けいせいαあるふぁ螺旋らせん、DNA或あるRNA的てき兩りょう條じょう鏈的含氮鹼基通過つうか氫鍵配はい對たい，而氫鍵かぎ的てき飽和ほうわ性せい和わ方向ほうこう性せい使し得え雙そう螺旋らせん的てき鹼基配はい對たい具有ぐゆう專せん一いち性せい，即そくA-T靠もたれ2個こ氫鍵配はい對たい而C-G靠もたれ3個こ氫鍵配はい對たい。

参まいり见

参考さんこう资料

^ International Union of Pure and Applied Chemistry. "hydrogen bond （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）". Compendium of Chemical Terminology Internet edition.
^ ^2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements, 2nd Ed., Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.
^ 对于这个数すう据すえ有ゆう争そう议，一般いっぱん在ざい150-250kJ/mol之の间。不ふ少しょう人ひと认为155kJ/mol较恰当とう，参さん见 Emsley, J. (1980). "Very Strong Hydrogen Bonds". Chemical Society Reviews 9: 91-124. 离子回旋かいせん共振きょうしん谱法得とく出で的てき数すう据すえ为163±4kJ/mol，参看さんかん J. Emsley, Polyhedron 4, 489-90 (1985).也与之の吻合ふんごう较好。
^ J. Emsley, O. P. A. Hoyte and R. E. Overill, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 225 (1977).
^ Omer Markovitch and Noam Agmon (2007). "Structure and energetics of the hydronium hydration shells". J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253 - 2256. doi:10.1021/jp068960g.
^ F. Albert Cotton, Geoffrey Wilkinson, Carlos A. Murillo, and Manfred Bochmann, Advanced Inorganic Chemistry, 6th ed.. Wiley-Interscience. ISBN 0-471-19957-5.
^ ^7.0 ^7.1 张青莲等。《无机化学かがく丛书》第だい一いち卷かん。北京ぺきん：科学かがく出版しゅっぱん社しゃ。
^ Chem. Commun., 1996, 14: 1633.
^ PubChem. 2-Butenedioic acid. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov. [2024-05-11] （英えい语）.

外部がいぶ链接

[1] International Union of Pure and Applied Chemistry. "hydrogen bond （页面存そん档备份，存そん于互联网档案あん馆）". Compendium of Chemical Terminology Internet edition.

[Greenwood-2] 2.0 ^2.1 ^2.2 ^2.3 Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the Elements, 2nd Ed., Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.

[3] 对于这个数すう据すえ有ゆう争そう议，一般いっぱん在ざい150-250kJ/mol之の间。不ふ少しょう人ひと认为155kJ/mol较恰当とう，参さん见 Emsley, J. (1980). "Very Strong Hydrogen Bonds". Chemical Society Reviews 9: 91-124. 离子回旋かいせん共振きょうしん谱法得とく出で的てき数すう据すえ为163±4kJ/mol，参看さんかん J. Emsley, Polyhedron 4, 489-90 (1985).也与之の吻合ふんごう较好。

[4] J. Emsley, O. P. A. Hoyte and R. E. Overill, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 225 (1977).

[5] Omer Markovitch and Noam Agmon (2007). "Structure and energetics of the hydronium hydration shells". J. Phys. Chem. A 111 (12): 2253 - 2256. doi:10.1021/jp068960g.

[高无-6] F. Albert Cotton, Geoffrey Wilkinson, Carlos A. Murillo, and Manfred Bochmann, Advanced Inorganic Chemistry, 6th ed.. Wiley-Interscience. ISBN 0-471-19957-5.

[丛书-7] 7.0 ^7.1 张青莲等。《无机化学かがく丛书》第だい一いち卷かん。北京ぺきん：科学かがく出版しゅっぱん社しゃ。

[8] Chem. Commun., 1996, 14: 1633.

[9] PubChem. 2-Butenedioic acid. pubchem.ncbi.nlm.nih.gov. [2024-05-11] （英えい语）.

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