氢键

氢键（Hydrogen Bond）是指来自分子或分子片段中X-H结构中的氢原子(其中X的电负性比H强)与同一分子或不同分子中的原子或基团之间的吸引相互作用，二者间有化学键形成的迹象。通常用

根据IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）2011年定义，氢键是来自分子或分子片段中X-H结构中的氢原子(其中X的电负性比H强)与同一分子或不同分子中的原子或基团之间的吸引相互作用，二者间有化学键形成的迹象。典型的氢键可以表示为

的形式。其中，三个点表示氢键。X-H代表氢键的给体。Y为氢键的受体，可以是一个原子、阴离子或一个与Z原子相连基团，且一定是富电子区域，如Y上的孤对电子、Y和Z之间的π键电子。若X和Y是相同的原子，在一些特殊的情况下，X-H和Y-H的键长相同，从而形成对称的氢键。

判断是否有氢键的形成，可以通过理论分析和实验验证的方式推测氢键的形成，以下为IUPAC给出的氢键形成准则，可以根据此准则判断是否有氢键的形成，且分子中满足的条件越多，形成氢键的可能性越大。

1. 形成氢键所涉及的力包括静电力。

2. X原子和H原子之间形成极性共价键，且H···Y键的强度随着X的电负性的增加而增加。

3. X - H···Y通常为直线型结构，键角为180°，且键角越接近180°，氢键越强，H···Y的距离越短。

4. X-H键的长度通常随着氢键的形成而增长，这会导致红外光谱中X-H伸缩振动频率发生红移（频率降低），X-H伸缩振动的红外吸收截面增大。X-H键长越长，H···Y之间的氢键越强，同时，在红外光谱中会形成新的振动模式。

5. 在核磁共振氢谱中，氢键的形成使电子的屏蔽效应降低，化学位移朝着低场方向移动。

6. 为了在实验中检测到氢键，形成氢键的吉布斯生成自由能应大于系统的热能。

在一个氢键网络中，给体或受体可能会分别与一个以上的受体或给体形成氢键。 当存在这种多重相互作用时，上面给出的一些判断准则可能就不适用了。

氢键的键能指的是以下解离反应的焓的改变量△H：按照氢键的强弱有强氢键和弱氢键，氢键的强弱除了与X、Y的电负性有关外，还与酸碱性有关，一般酸和酸式盐中形成的氢键较强，而碱和碱式盐中形成的氢键较弱。少数非常强的对称氢键O-H-O和F-H-F中，△H超过100kJ/mol，在KHF₂中，F-H-F的氢键的△H高达212kJ/mol，是已知的最强的氢键。而在Si-H···N、N-H···π中则存在着弱氢键，键能小于15kJ/mol。

氢键的强弱及其性质

X和Y之间的距离定为氢键的键长，键长越短则氢键键能越大，氢键越强。氢键键长的实验测定值要比X-H共价键键长加上H和Y原子的范德华半径之和要短，如下表所示：

氢键键长的理论值和实验值

氢键的键能介于共价键和范德华力之间，它的结构参数如键长、键角、和方向性等各个方面都可以在相当大的范围内变化，具有一定的适应性和灵活性。氢键形成和破坏所需的活化能也小，加上它形成的条件比较灵活，在分子间或分子内可以不断的形成和断裂。氢键键能较范德华力大，在具备形成氢键条件的固体、液体甚至气体中都尽可能多的生成氢键，这可称为形成最多氢键原理。

如图1，氢键的几何形态可用下图的R，r1，r2，θ等参数表示。大多数氢键是不对称的，氢原子距离X更近，距Y较远。氢键可以为直线形，这在能量上有利，但氢键在晶体中由原子的排列和堆积所决定，因此直线形氢键很少出现。如图2，α角的角度通常在100°~140°之间。在通常情况下，氢键中氢原子为二配位，但也存在三配位和四配位的氢键，常见于NH···O=C结构，如图3、图4所示。大多数氢键中，只有一个氢原子是直接指向Y上的孤对电子，但在部分物质中，每个Y可以接受多个氢原子，如图5，氨晶体的每个N原子的孤对电子接受其它氨分子的三个H原子。