大部分的物質都遵循熱脹冷縮的通性 當溫度上升時 粒子接收到能量 會開始振動、轉動或移動 使粒子之間的距離變大 造成物質的體積膨脹 相反的 當溫度降低時 粒子的振動、轉動幅度與移動能力都會下降 使物質的體積縮小 密度是物質的特性之一 其定義為單位體積中所具有的質量 所以當一物質質量固定 溫度降低時 體積縮小 密度就會增大 因此 大部分物質固體的密度都會大於液體 讓我們回想一下 在大熱天喝冰水的時候 冰塊是浮在水面上 還是沉在杯底呢？ 沒錯 冰塊會浮在水的表面 那是因為冰的密度比水小 也就是說 質量相同的冰和水 冰的體積會比水的體積大 其實就國中所學 水在0℃至4℃之間應為熱縮冷脹 而非我們前面說的熱脹冷縮 為什麼冰的密度會比水小呢？ 那是因為水分子之間的作用力除了凡得瓦力外 還具有一種很特別的作用力 叫做氫鍵 接下來我們就先來介紹氫鍵是什麼吧 還記得電負度代表什麼意義嗎？ 電負度越高 代表原子形成鍵結時對成鍵電子的吸引力越強 其中氟、氧、氮依序為電負度最大的前三名元素 所以當氟、氧、氮與氫形成共價鍵的時候 氟、氧、氮會吸引鍵結的電子 使電子雲較偏向氟、氧、氮原子 所以在氟、氧、氮原子上電子密度較高 偏向負電荷 以δ⁻表示 而氫原子身上由於電子密度較低 偏向正電荷 以δ⁺表示 與失去一顆電子的氫離子的狀態接近 如果旁邊出現了電負度大且有孤對電子的原子 氫原子就會以本身具有的正電荷跟孤對電子產生吸引 形成氫鍵 我們來整理一下氫鍵形成的必要條件吧 首先 我們需要有一個電負度很大的原子X 例如：氟、氧、氮，與氫形成鍵結 因為電負度大的原子吸引共用電子的關係 使自己本身帶部分負電荷 而氫帶部分正電 接下來 當這一個氫原子遇到另外一個氟、氧、氮 且孤對電子可與帶部分正電的氫相互吸引時 就會形成氫鍵 在介紹完氫鍵的形成的原理之後 同學們想想看 氫鍵的特性跟凡得瓦力中的偶極-偶極作用力 離子鍵、共價鍵 哪些的性質比較類似呢？ 其實 氫鍵同時具有偶極-偶極作用力 離子鍵與共價鍵的部分性質喔 氫鍵可以視為偶極-偶極力的一種 因為兩者皆因分子內電荷分佈不均勻 所造成部分正電與部分負電互相吸引 只是氫鍵的強度比偶極-偶極力強 而分子中 因電荷分離所產生部分正負電荷的狀態 再與異性電荷相吸的現象 與離子化合物中陰陽離子相吸所產生的離子鍵狀態相似 所以氫鍵具有部分的離子性 另外 由於氟、氧、氮跟氫之間的鍵結電子對 被氟、氧、氮吸引 導致氫的軌域幾乎沒有電子接近空軌域的狀態 因此氫的空軌域與另一個氟、氧、氮的孤對電子 會形成類似配位共價鍵形成氫鍵 所以氫鍵會具有共價性 但氫鍵並非真的共價鍵或離子鍵 因為其強度比共價鍵弱很多 大約僅有共價鍵或離子鍵的十分之一左右 但又比凡得瓦力強許多 大約是凡得瓦力的十倍左右 若以氟化氫為例 同學們覺得 當兩個氟化氫分子相互靠近形成氫鍵時 兩者的相對位置應如何排列較為妥當呢？ 還記得在分子化合物時 我們曾經討論過 「價殼層電子對互斥理論」來決定分子形狀嗎？ 當兩個氟化氫的分子相互靠近時 會因為兩個氟原子身上的孤電子對互排斥 造成氟化氫分子的氫和另一帶部分負電的氟之間 角度接近180度 一般而言 可形成氫鍵時通常會在150度～180度之間 同學們思考看看 下面三種氫鍵強弱關係應如何排列呢？ 影響氫鍵鍵能的主要因素是電負度 電負度越大 氫就會越接近氫離子的狀態 對孤電子對的庫侖靜電作用力就越強 所形成的氫鍵就越強 我們瞭解影響氫鍵強度的因素後 再回來看剛剛的問題 氟、氧、氮中氟的電負度最強 原子半徑也最小 所以氟化氫分子的氫 與另一分子的氟之間的氫鍵鍵能會最高 以此類推 氫能鍵能大小關係如畫面 介紹完氫鍵的特性之後 我們還可依據產生氫鍵的位置分為分子內氫鍵 與分子間氫鍵 分子內氫鍵 顧名思義就是發生在一個分子內部的氫鍵 以順丁烯二酸為例 就是發生在羥基的氫與氧的孤電子對之間 另外像鄰苯二酚、鄰硝基苯酚、柳酸、鄰氟苯甲酸等等 均具有分子內氫鍵 同學們觀察這些有分子內氫鍵的分子 有沒有發現一些共同點呢？ 分子內氫鍵通常發生在順式異構物 或苯環鄰位的異構物中 藉由分子內氫鍵 讓分子能形成穩定的五角環或六角環 而分子間氫鍵就是發生在分子與分子之間的氫鍵 我們前面講的所有氫鍵都屬於分子間氫鍵 例如：氟化氫分子與氟化氫分子 水分子與水分子 氨分子與氨分子等 接著來介紹一下這三個常見的分子間氫鍵吧 我們可以看到氟化氫分子有一個氟-氫共價鍵 而氟原子上有三對孤對電子 所以平均每個固態的氟化氫分子可以形成一個氫鍵 氨分子有三個氮-氫共價鍵 氮原子上有一對孤對電子 所以平均每個固態的氨分子可以形成一個氫鍵 那有了氟化氫和氨的例子後 我們來看看水分子 我們知道水分子有兩個氧-氫共價鍵 氧原子上有兩對孤對電子 那平均每個固態的水分子會形成幾個氫鍵呢？ 沒錯 就是兩個 那我們再回到剛剛為什麼冰的密度比水小的問題 我們前面已經算出平均每個固態的水分子會形成兩個氫鍵 所以固態的水分子之間會形成類似蜂窩的架構 但液態時的水 由於溫度較高 分子具有較高的動能 所以會在空間中快速的振動與移動 在分子快速移動的過程中 氫鍵會不斷的斷裂與重組 相比於液態水分子混亂無序的結構 冰穩定的六角形結構會拉開分子與分子間的距離 這就是相同質量的冰的體積會比水大 冰的密度比水小 冰塊能漂浮在水上的原因 我們今天介紹了 氫鍵的形成原因與必要因素 形成氫鍵的角度 氫鍵強弱等特性 也介紹了分子間氫鍵與分子內氫鍵 下一個影片會介紹氫鍵造成的影響 同學可以先想想 氫鍵除了讓冰的密度比水小之外 還可能會對物質的性質造成什麼樣的影響呢？ 歡迎在留言區與我們分享喔~下次見