分子間作用力和氫鍵
相鄰原子間的強烈作用力稱為化學鍵,分子與分子間則有比較弱的作用力,一般在10kJ·mol-1以下。共價鍵的鍵能是102數量級(見表3-2),而離子鍵晶格能則是102~103數量級(見表3-1)。極性分子是一種偶極子,具有正負兩極。當它們靠近到一定距離時,就有同極相斥,異極相吸的靜電引力,但這種引力比離子鍵的晶格能弱得多。極性分子與非極性分子之間作用力則是由極性分子偶極電場使鄰近的非極性分子發生電子雲變形(或電荷位移)而相互作用產生的,如O2(或N2)溶於水中,O2和H2O分子間的作用力就是這種情況。非極性分子與非極性分子之間的作用力來自電子在不停運動瞬間總會偏於這一端或那一端而產生的瞬間靜電引力。原子半徑越大越容易產生瞬間靜電引力。稀有氣體是單原子分子,這是典型的非極性分子,它們的液化過程,就是靠這種瞬間靜電引力。由氦(He)到氙(Xe)半徑依次遞增,瞬間的靜電作用力也依次遞增,沸點依次升高。
總之,分子間作用力是由分子之間很弱的靜電引力所產生,物質的許多物理化學性質如沸點、熔點、粘度、表麵張力等都與此有關。
氫鍵是一種特殊的分子間作用力,其能量約在10~30kJ·mol-1間。F,O,N電負性很強,與H形成的共價鍵顯較強極性,共用電子對偏於F或O或N這邊而使其為負極,H則為正極。當另外一個電負性強的原子接近H時,就會產生靜電引力。氫原子和電負性強的X原子形成共價鍵之後,又與另外一電負性強的Y原子產生較弱的靜電引力,這種作用力叫氫鍵。可以表示為:
X-H…Y
如第VIA族氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)的氫化物的沸點遞變規律,由H2Te,H2Se到H2S,隨分子量的遞減,半徑遞減;隨分子間作用力的減小,沸點遞減。但分子量最小的H2O的沸點卻陡然升高,見圖3-7。這是因為氧的電負性很強,H2O分子間形了O-H…O氫鍵,所以H2O分子間作用力大於同族其他氫化物。ⅦA和VA族氫化物沸點的變化規律中,HF和NH3也顯得特殊,這也是因為形成了F-H…F和N-H…N氫鍵。H2O,HF,NH3分子間的氫鍵,在固態、液態都存在,它們許多特性都可以用氫鍵概念加以解釋。例如絕大多數物質的密度,總是固態大於液態的,但H2O在0℃附近的密度卻是液態大於固態的。這是因為固態H2O(冰)分子間存在O-H…O氫鍵,使它具有空洞結構,此時冰的密度就小於水,所以冰可浮於水麵。
用上述這些簡單的無機分子為例容易說明氫鍵的概念,但這個概念的重要性卻體現在生命化學中。生物體內存在各式各樣的氫鍵。氨基酸是組成蛋
可形成C=O…H-N氫鍵。DNA雙螺旋結構中也有大量氫鍵相連而成穩定的複雜結構。