分子模擬/氫鍵

氫鍵是一種極性鍵，存在於與具有高電負性的另一個原子結合的氫原子之間，然後與氫鍵受體形成靜電相互作用。氫鍵受體主要分為兩類：具有高負電荷的原子，例如Cl^-或Br^-，以及具有極性鍵的另一種化合物，例如酮或羧酸。這些鍵是偶極-偶極相互作用的子類。這些相互作用存在於許多不同的場景中，存在於某些有機溶劑、固體晶體結構、蛋白質和 DNA 中。

液體中的氫鍵

氫鍵存在於水、乙醇、氟化氫和 N-甲基乙醯胺等有機液體中。這些氫鍵與具有類似大小的烴相比，部分負責較大的汽化焓和更高的沸點。例如，己烷的沸點為 68 °C，而己醇的沸點為 135 °C。這是由於醇上的氫原子可以與其他己醇分子上的氧原子相互作用形成氫鍵。

使用 MP2/aug-cc-pVTZ 計算的氟化氫（黑色）和氯甲烷（藍色）二聚化的勢能面。雖然兩個分子的偶極矩非常相似，但 HF 的二聚化能更負，因為分子可以在排斥相互作用占主導地位之前達到更短的分子間距離。

固體中的氫鍵

冰 Ih 相的晶體結構

氫鍵也存在於固體中。觀察到固體中的鍵合可以使分子最大限度地堆積，從而使固體具有最大數量的氫鍵，從而形成更強的晶體。這可以在固態水中觀察到，並且是水的一些獨特特性的原因。每個水分子能夠提供兩個氫鍵並接受兩個氫鍵。

相互作用強度

氫鍵的大小取決於幾個不同的因素，第一個是氫原子連線的原子的電負性差異。電負性差異越大，相互作用越強。第二個是受體的半徑，它需要是氫原子能夠足夠接近相互作用的大小。通常，斯萊特半徑應介於 0.65 – 1.00 Å 之間，大於此將不允許氫原子足夠接近原子以產生有吸引力的相互作用。右側的圖說明了 HF 和 CH₃Cl 二聚化的勢能。它們都有非常相似的偶極矩，但由於氫鍵，HF 分子之間的相互作用能夠獲得更大的勢能極小值，這由更大的井深所示。同樣在這張圖中，井出現在 HF 的較小半徑處，這是由於先前提到的對受體半徑的依賴性，F 比 Cl 小，允許氫原子更靠近進行更強的相互作用。氫鍵的方向性也會影響鍵的強度，最佳相互作用角為 180°，而最佳相互作用距離為 1.5 – 2.5 Å。平面分子可能具有非常強的氫鍵能力。分子是平面的，可以實現鍵偶極子的建設性疊加，並且可以避免分子中其他原子之間的空間衝突。

距離依賴性

氫鍵的強度會很快消散，它們遵循與偶極-偶極相互作用相同的指數趨勢，如下面的等式所示

偶極-偶極相互作用 ${\mathcal {V}}(r,\theta _{1},\theta _{2},\Phi )={\frac {-\mu _{1}\mu _{2}}{4\pi \epsilon _{0}r^{3}}}(2\cos \theta _{1}\cos \theta _{2}-\sin \theta _{1}\sin \theta _{2}\cos \Phi )$

其中 θ₁、θ₂ 和 Φ 分別是兩個取向角和二面角。該等式說明鍵的強度與偶極間距離的立方成反比。

半徑的影響 ${\mathcal {V}}\propto {\frac {1}{r^{3}}}$