作者：萌铁蛋 MnFeN
链接：https://www.zhihu.com/question/293007276/answer/502672909
来源：知乎
2017年第31届国初
第 2 题题目（10 分）2-1 氨晶体中，氨分子中的每个 H 均参与一个氢键的形成，N 原子邻接几个氢原子？1 摩尔固态氨中有几摩尔氢键？氨晶体融化时，固态氨下沉还是漂浮在液氨的液面上？
分析与解答2-1 这道题考查了晶体结构中均分等效思想的应用。由“氨分子中的每个 H 均参与一个氢键的形成”可知，每一个 H 原子直接与两个 N 原子邻接，根据均分思想，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6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，根据均分思想，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 氨中有 3 mol 氢键。
对于一般的物质，其固体密度应当比液体密度更大；而通过文献查得的数据也确实如此：198 K 时，液氨的密度为 (0.731 ± 0.004) g cm⁻¹；193 K 时固态氨的密度为 (0.820 ± 0.004) g cm⁻¹。因此氨晶体融化时，固态氨下沉。
并且应当指出的是，这个情景下将液氨、固态氨与水、冰类比并不合适。原因在于氨中的氢键并不像是常见的具有方向性与饱和性的氢键，而更像是一种带正电的质子与氮上孤对电子的较弱的静电相互作用，因此才会每个氮原子都形成三根氢键。正因为氨中的氢键键能较低，不具方向性、饱和性，因此，固态氨中不具备冰中由于传统氢键的形成的笼状结构中的较大空隙，故而其密度比液氨更大。下面两图给出了固态氨[2]和冰的晶体结构，可以借此清晰地比较二者的差别。
[1] 裴坚, 卞江, 柳晗宇. 2018. 中国化学奥林匹克竞赛试题解析[M]. 第3版. 北京: 北京大学出版社.
[2] Maschio L.; Usvyat D.; Schütz, M.; Civalleri B. J. Chem. Phys. 2010, 134706, 132.
来自高中化学徐老师!
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