运用均摊法计算化合物分子间氢键的数目

运用均摊法计算化合物分子间氢键的数目

均摊法是计算晶体中微粒数目的一种重要方法，尤其在计算氢键数目时更为常见。本文将通过冰和固态氨分子的具体例子，详细介绍如何运用均摊法计算化合物分子间氢键的数目。

我们知道，氢键像共价键一样也是存在方向性和饱和性的。什么是方向性和饱和性呢？每个原子所能形成共价键的数目取决于该原子中的单电子数目，这就是共价键的饱和性。成键时，两原子轨道重叠愈多，两核间电子云愈密集，形成的共价键愈牢固，这称为原子轨道最大重叠原理，因此一般共价键具有方向性。也就是说，形成共价键和氢键的时候，既有空间上的一定取向，也有一定的数目限制要求。

如何计算氢键数目呢？

均摊法常用在晶体有关分析及计算中：如果一个微粒被n个晶胞共享，那么它属于每一个晶胞的只有1/n，这种方法称为均摊法。

根据冰的结构，每个水分子与周围的4个水分子形成氢键。但是每两个水分子共用1个氢键了，氢键数目= 4×1/2 = 2,即因此1mol水分子（冰））分子间实际均摊有2mol氢键。

我们来看看氨分子间的氢键。固态氨分子中的每个 H 均参与一个氢键的形成，每一个 H 原子直接与两个 N 原子邻接，根据均摊法，每一个 H 原子将会给它周围的每一个 N 原子贡献 1/2 个 H 原子。在整体化学式为 NH₃ 的氨晶体中，每个 N 原子均分后应有 3 个 H 原子与其相邻，因此在均分前的晶体结构中，每个 N 原子应与六个 H 原子邻接。每个 H 原子均参与一个氢键的形成，显然，每个氢键也均只由一个 H 原子参与形成，根据均摊法，每个氨分子均分得到三个 H 原子，也即每个氨分子均分得到 3 个氢键，这也就是说，1 mol 氨中均摊有 3 mol 氢键。

我们分析的氢键的数目是物质在晶体状态时的数目。当晶体状态发生变化（生成液体、气体）时，氢键是在不同程度的被破坏了。所以，单独说液态水、氨气分子间的氢键数目是不准确的。

本文原文来自化学自习室