２０１２年第１５期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ｏ高校讲坛０ 科技信息 氢键作用的研究进展 陈静 （唐山学院河北唐山０６３０００） 【摘要】氨键是重要的分子间相互作用，可以对物质的许多物理化学性质产生重要影响。本文从氢键的定义、类型、特征等方面给予重点 介绍．氢键将在人类生活生产和科学研究中发挥的作用会越来越重要 【关键词】氢键；分子；相互作用 Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｂｏｎｄ ＣＨＥＮ Ｊ．ｍ２ （Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｈｅｂｅｉ，０６３０００，Ｃｈｍａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄ ｉｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ａ ｍａｊｏｒ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｍａｎｙ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉ１ａ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｅｓｐｅｃｉｌａｌｙ．Ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄ ｗｉｌｌ ｂｅ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔｎａｔ ｉｎ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｌｉｆｅ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄ；Ｍｏｌｅｃｕｌｅ；Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ０引言 在一个Ｘ＿一Ｈ… 氢键中。竹键或离域霄键体系作为质子的受体 氢键作用是人们较早认识的分子问弱相互作用之一。到目前为止 由苯基等芳香环的离域 键形成的） Ｈ… 氢键．又称为芳香氢键 已经被发现一百多年。研究表明从无机物到有机物，氢键在分子的构 （ａｒｏｍａｔｉｃ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｂｏｎｄｓ）．多肽链中的Ｎ—Ｈ与水的 —Ｈ．它们和苯 象，分子间的聚合以及化学体系的功能等方面都起着重要的作用。可 基形成的Ｎ—Ｈ… 和０一Ｈ…竹在多肽结构以及生物体系中对于稳 以说氢键是人们揭开一些物理化学现象的关键所在．因此对氢键的研 定多肽链的构象起着重要作用。根据计算．理想的Ｎ—Ｈ．．一订氢键的键 究仍然需要给与高度的关注。 能值约为ｌ２ ｋＪ・ｍｏｌ 。乙炔作为质子受体形成的氢键于１９７４年首先 被Ｇｒｅｅｎ在光谱研究中发现：同一年。他将苯和一些苯基衍生物列入 １氢键的定义 了氢键的质子受体列表。（芳香环作为受体的氢键是Ｂａｍｆｏｒｄ在１９５４ 年发现的．但Ｇｒｅｅｎ可能是在不知道这一成果的情况下独立发现的。） 氢键的形成不像共价键那样需要严格的条件．它的结构参数如键 ２．５ ｘ—Ｈ…Ｈ—Ｙ二氢键 长、键角和方向性等各个方面都可以在相当大的范围内变化。具有一 Ｈ３Ｎ—ＢＨ３的熔点是１０４℃．从中可以看出．在Ｈ３Ｎ—ＢＨ３晶体 定的适应性和灵活性．所以定义氢键应该用一般性的、有概括性的语 中分子间存在着不寻常的强烈相互作用 Ｈ３Ｎ—ＢＨ３分子中不存在孤 言来加以描述，这样才能使氢键的定义适应那些观察到的复杂现象ｍ。 对电子．显然不能形成常规的氢键．是什么原因导致这种现象呢？一系 常规氢键的定义一般认为是类似于 — …Ａ这样产生相互作用．则 列含Ｎ—Ｈ… —Ｂ体系的Ｈ…Ｈ距离均介于１７５ １９０ ｐｍ．在二聚体 日与Ａ之间的键叫做氢键。这包含两方面的意思：（１ 与日之间已 ｍ３ＮＢＨ３１２中，含有２个Ｎ＿Ｈ…Ｈ－－Ｂ，Ｈ…Ｈ距离为１８２ ｐｍ，（ＮＨ）… 经产生了化学键：（２） 一日可以作为质子供体，为Ａ提供质子。 Ｈ＿一Ｂ键角为１００。，这些信息促使人们提出了二氢键的观点。 ２氢键的类型 Ｃｒａｂｔｒｅｅ．Ｓｉｅｇｂａｈｎ和Ｅｉｓｅｎｓｔｅｉｎ于１９９６年报道了一些关于二氢键的 研究结果 氢键有很多种形成方式ｌ ２ｌ３１．可以是一个分子在其分子内形成．也 可以是两个或多个分子在其分子间形成。当然氢键并不限于在同类分 ３氢键的特征 子之间形成。不同类分子之间亦可形成氢键。如醇、醚、酮、胺等相混 氢键是特殊的分子间或分子内的作用 氢键键能一般小于４０１０／ 时．都能生成类似Ｏ—Ｈ…Ｏ状的氢键 ｍｏｌ。比共价键的键能小得多，比较接近分子间作用能。因此氢键不属 ２．１分子内氢键 于化学键．而属于一般分子间力范畴。氢键的强弱跟ｘ、Ａ元素的电负 一个分子的ｘ—Ｈ键与其内部的Ｙ原子产生的氢键．如邻位硝基 性和原子半径大小有关。例如，Ｆ的电负性最大而半径很小．所以 Ｆ— 苯酚中就存在着分子内氢键 分子内氢键必须具备形成氢键的必要条 Ｈ…Ｆ是最强的氢键，０一Ｈ…Ｏ次之，０一Ｈ…Ｎ又次之，Ｎ—Ｈ…Ｎ更 件．还要具有特定的条件．如形成平面环，环的大小以五或六原子环最 次之：碳原子的电负性较小，一般不易形成氢键。氯原子的电负性虽 稳定，形成的环中没有任何的扭曲。例如：水杨醛和２一甲一２一芳氧基丙 大．但原子半径较大．因而形成的氢键０一Ｈ…ｃｌ很弱 氢键的特征［３１ 酸分别在其分子内形成了氢键 归纳于下面表１中： ２．２分子间氢键 表１氢键的强弱 一个分子的ｘ—Ｈ键与另一个分子的Ｙ原子相结合而产生的氢 Ｔａｂｌｅ １ Ｔｈｅ Ｓｔｒｏｎｇ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ ａｎｄ Ｗｅａｋ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ 键，如气态、液态、固态的ＨＦ分子都存在着分子间氢键。分子间靠氢 键结合称为缔合．由于分子间氢键存在，可使分子缔合成多聚体。如 性质 强氢键 中强氢键 弱氢键 ｎＨＦ＝（ＨＦ）ｎ，式中ｎ＝２，３，４……，这种分子的缔合不引起化学性质的 Ｘ—Ｈ…Ｙ 共价键占优势 静电性占优势 静电 改变。有的缔合甚至可连接为链状、层状、架状结构。如ＮａＨＣＯ，分子 键长 Ｘ—Ｈ—Ｈ—Ｙ Ｘ—Ｈ＜｝ｉ…Ｙ Ｘ—Ｈ（（Ｈ…Ｙ 氢键形成链状结构．而在冰分子中，Ｈ２０分子通过氢键形成四面体骨 架结构。一般来说，形成分子内氢键的分子不再生成分子间氢键。例如 …ｙ １．２一１．５ １．５—２．２ ２．２－３．２ 硝基苯酚中由于取代基（一ＮＯ：）与羟基（一ＯＨ）位置的不同，其分子分别 形成分子内氢键和分子间氢键 Ｘ…Ｙ／Ａ ● ２．２－２．５ ２．５—３．２ ３．２＿４．Ｏ ２－３多中心氢键 多中心氢键是指可以形成氢键的一个供体原子可以与另外两个 键角／ｏ １７５—１８Ｏ ｌ３Ｏ—ｌ８Ｏ ９Ｏ一１５０ 受体原子形成了氢键 研究表明超过２５％的碳水化合物分子中存在这 键能／（ｋＪ・ｔｏｏｌ ） ＞５０ １５—５Ｏ ＜１５ 种多中心氢键的情况 １９７２年．Ｊ０ｎｓｓｏｎ和Ｋｖｉｃｋ通过中子衍射证实了 多中心氢键的存在 通常情况下形成多中心氢键的是两个不同类型的 原子，而且大多数是一个强的氢键受体和一个弱的氢键受体。 ４展望 ２．４ ｘ—Ｈ…丌氢键 氢键对物质的许多物理化学性质可以产生影响，（下转第１ ５４页） １８６ ２０１２年第１５期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｏ机械与电子ｐ 科技信息 通常闪火电压提升剂都以硅胶、多元醇、丙三醇、甘露醇等试剂进 行直接配制．也有将闪火电压提升剂作为组液配制之后．二次加入工 作电解液中的。随着科学技术的进步和发展，对电容器的要求更高．原 配方２６％ Ａ Ｂ Ｃ 有闪火电压提升剂已不能满足要求．因此本研究采用了更新的闪火电 测试指标 ｔｇＢ Ｉ／ＩｘＡ Ｃｔｕ ｔｇ８ ＬＬＡ Ｃ｜ｕ ｔｇ８ 从 压提升剂原材料和配制方法研制了新配方 ２０．９ ０．０３６ ２ｌ０ ２０．９ ０．０３７ ２０６ ２１．０ ０．Ｏ４８ ８０ 在闪火电压提升剂配制中．我们采用了高聚醇类加有机酸或无机 酸，在高温、高压、溶媒作用下，生成具有三元网络结构的脂化物．降低 ２Ｏ．７ ０．０３５ ２０７ ２０．６ Ｏ．Ｏ３４ ２ｏ９ ２１．６ ０．０５５ ８２ 了易气化物原子结合力．而使其分解为低分子化合物．提高了气化物 测定次数 ２１．９ ０．０３５ ２Ｏ４ ２１．０ ０．Ｏ４３ ２１５ ２０．８ ０．０５７ ８４ 沸点．使其不易气化，从而不易燃烧。 ２１．１ ０．０３４ １９５ ２０．８ ０．０３６ ２３５ ２０．９ ０．０５０ ８５ 以基础液９０％～８０％．闪火电压提升剂为１０％～２０％．对４００Ｖ产品 加６００Ｖ直流电压，电容器盖板全部破坏，但电容器只是冒白烟．而不 ２１－２ ０．Ｏ３６ ２１８ ２１．２ ０．０３５ ２３２ ２１．２ Ｏ．Ｏ５１ ８８ 发生燃烧．所以新的电闪火电压提升剂可以提高产品的安全性．并延 平均值 ２１．Ｏ ０．０３５ ２Ｏ６ ２０．９ ０．０３６ ２１９ ２１．５ ０．０５２ ８３．８ 长产品寿命。 表４、表５中看，Ａ方法漏电流初始值为７９．６ ，高温贮存５００小 ２．５高温负荷试验 时后，漏电流变化增加了２．５８倍，电容量、损耗角正切值变化很小，但 用２５％Ｌ￣例ｃ配方电解液生产的产品（１０ｘ２０ｍｍ，４５０Ｖ，４．７ｐ，Ｆ） 有两支鼓底产品；Ｂ方法漏电流初始值为４９．５ Ａ，高温贮存５００小时 进行高温负荷测试，产品１０５０Ｃ施加带纹波电流的额定电压（４５０Ｖ） 后，漏电流变化增加了４．４倍，电容量、损耗角正切值变化很小．但有４ １０００小时，恢复２４小时，分别测定产品电容量、损耗角正切值和漏电 支鼓底产品；ｃ方法漏电流初始值为３９．５ Ａ，高温贮存５００小时后，漏 流．测试结果见图１、图２和图３。 电流变化增加了，２．１倍，电容量、损耗角正切值变化很小．但无鼓底产 品。通过对比配制Ｃ明显好于其它。 时，三个配方的产品性能测试结果见表５。 表５三种配制方法对电容器参数的影响 ４ ■ Ｏ ０ 枷 枷 １２ｏｏ ｏ ４∞０∞ １０∞ 对一擅 图１电容量一时间测试 Ｏ ７ 时■Ａ 图３漏电流一时间测试 §ｏ－蚴 图１、图２、图３显示，配方ｃ电解液生产的产品电容量、损耗角正 切值、漏电流变化很小。 从配制闪火电压提升剂步骤看添加物顺序、比例、加热温度、保温 时间等．对配制出结果很重要 综上所述，新配方ｃ闪火电压提升剂使电容器各种性能得到明显 加强，提升了电容器品质，能够满足了市场对电容器更高的要求。● 【参考文献】 ［１］王偕恕，蔡示军．多极性基高聚物对铝电解电容器工作电解液性能的影响【ＪＪ． 电子元件与材料，１９９６，１５（４）：１９—２３ ［２］姚明忠，卫美华，陈卫东，等．２０世纪９０年代后期工作电解液的进展叨．电子 元件与材料。２００２，２１（３）：２４—２５． ［３］ｉ新龙，宋哗，朱绪飞．铝电解电容器中缓蚀剂的应用研究进展阴．电子元件 与材料。２０００．１９（６）：２４—２６． ０ ４００蠡∞ ２∞ 对— 图２损耗正切角一时间测试 ３讨论 ［责任编辑：王迎迎］ （上接第１８６页）如熔点、沸点、溶解度、粘度、表面张力、密度、酸碱性、 介电常数等［５１．并且在人类和动植物的生理生化过程中也起着十分重 要的作用。没有氢键的存在．就没有特殊而又稳定的大分子结构。可以 说正是这些大分子支撑了生物机体保证了物种的繁衍。分子间氢键的 动力学行为直接关系与目前的一些前沿课题密切相关．深入研究氢键 的作用对于我们理解物质的一些特殊的物理化学性质有着巨大的帮 助。总之，氢键的理论研究需要不断地深入，它必将在人类生活生产和 科学研究中发挥越来越重要的作用。 Ｅｄ．２００２．４１：４８—７６． ［２］周公度，段连运．结构化学基础『Ｍ］．北京：北京大学出版社。２００２． ［３］周公度．氢的新键型『Ｊ１．大学化学，１９９９，１４（４）：８． １４ ＩＣｒａｂｔｒｅｅ Ｒ Ｈ，Ｓｉｅｇｂａｈｎ Ｐ Ｅ Ｍ，Ｅｉｓｅｎｓｔｅｉｎ ０ ｅｔ ａ１．Ａ Ｎｅｗ Ｉｎｔｅｒｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ：Ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｂｏｎｄｓ ｗｉｔｈ Ｅｌｅｍｅｎｔ—Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｂｏｎｄｓ ａｓ Ｐｒｏｔｏｎ Ａｃｃｅｐｔｏ栅．Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ。１９９６，２９：３４８－３５４． ［５］赵荣飞，陆妙燕．氢键对物质性质的影响及应用哪．安顺学院学报，２００７，４． 作者简介：陈静（１９７８一），女，河北唐山人，硕士，讲师，主要研究方向力学 教学及分子动力学模拟与研究。 【参考文献】 ［１］Ｔｈｏｍａｓ Ｓｔｅｉｎｅｒ．Ｔｈｅ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｂｏｎｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ叨．Ａｎｇｅｗ Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ． ［责任编辑：周娜］ １，５４