氨晶体、HF晶体、冰中氢键分析

一、六方冰中氢键

冰到底有几种？照最新的统计，固态水共有17种晶体形态。但是在实验室外，只有一种是地球上普遍存在的，它称为“冰Ih”，即六方冰。冰晶之所以形态如此多样，都是因为相邻的水分子用强大的氢键构成了一个四面体的网络。当水处于凝聚态时，每一个水分子都会形成近乎四面体的四个氢键，从而最大限度地与其他水分子结合。六方冰中的氢键构成了一个开放立体、且密度较低的结构。

液态水（左）由氢原子（白色）和氧原子（红色）组成，分子间较为密置。普通的冰，及六方冰（右）由于存在大量氢键，呈立体网络形状，分子之间比较疏松，这解释了冰为什么会浮在水面上。

由此可见，六方冰中1个水分子通过氢键与4个水分子相邻，形成4配位的结构，1mol六方冰中含有2mol氢键。

二、氨晶体中氢键

在氨晶体中，氨分子中的每个H均参与一个氢键的形成，每个N原子邻接6个H原子，如下图所示

其中3个H原子为N原子所键合的H原子，另3个H原子则是依靠N-H...N氢键作用所吸引。因此NH3的配位数为6，1mol氨晶体含有3mol氢键。与六方冰的4配位相比，6配位的氨晶体密度更大，事实上，氨晶体的密度是大于液氨的，固态氨是沉在液氨底部的。氨晶体的晶胞结构如下：

三、HF晶体中氢键

HF晶体中，每个HF与2个HF分子形成F-H...F氢键，1molHF含有1mol氢键，相关键长与键角关系如下图所示，形成Z字型的长链

英哥学者M.W.Johnson等人通过X射线衍射与电子衍射实验测得，HF晶体在148K，F原子形成面心正交晶格，晶胞参数为a=3.42A，b=4.32A，c=5.41A，其晶胞沿a轴的投影如下图

其中，黑色球位于a=0处，白色小球位于a=1/2处。由此可得出，HF晶体中形成的是2配位的结构，且处于a=1/2处的HF分子与a=0处的HF是以反平行的方式相对更稳定存在。

具体文献如下（部分）：