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1. 首先考慮氫鍵的形成

氫鍵的定義是：H原子與電負(fù)性大、半徑小的原子X(N、O、F)以共價鍵結(jié)合，若同時又與電負(fù)性大、半徑小、且有孤電子對的原子Y(N、O、F)接近，則在X與Y兩個原子之間，就會以H和孤電子對為媒介，生成“X－H…Y”形式的一種特殊的分子間或分子內(nèi)相互作用，稱為氫鍵。 比如，在水分子中，H和O以極性共價鍵結(jié)合，由于O的電負(fù)性遠(yuǎn)大于H，因此O將共價鍵的電子對向自己的方向吸引，使這個共價鍵呈現(xiàn)強(qiáng)極性。這導(dǎo)致水分子中的H原子帶了一定的正電性(δ＋)，而O原子則帶了一定的負(fù)電性(δ－)。在水中氟化氫，這樣的水分子比比皆是，它們互相毗鄰，這就難免使一個水分子中帶正電性的H原子和另一個水分子中帶負(fù)電性的O原子相互靠近，O原子以自身的孤電子對去“觸碰”帶有正電性的H原子，二者形成靜電引力，這就是氫鍵。（如圖1所示）在H2O中，存在“O－H…O”的氫鍵，在HF中，也存在著“F－H…F”的氫鍵。

2．比較H2O、HF氫鍵的強(qiáng)弱

題目要求比較H2O、HF的熔沸點(diǎn)，由于二者都是分子晶體，因此必然要比較分子間作用力（包括范德華力和氫鍵），由于二者相對分子質(zhì)量接近，分子的極性也相近，因此范德華力應(yīng)該也相近，又由于范德華力遠(yuǎn)弱于氫鍵，所以可以忽略對范德華力的討論。

那么就需要比較二者氫鍵的強(qiáng)度，看二者氫鍵的結(jié)構(gòu)，“O1－H…O2”和“F1－H…F2”的差別就在于中心原子O和F上。由于F的電負(fù)性大于O，因此O1對H的吸引力弱于F1對H的吸引力，導(dǎo)致HF中H所呈的正電性更強(qiáng)，同時F2對H的吸引力強(qiáng)于O2。也就是說氟化氫，在HF中，H所帶的正電性更強(qiáng)，同時另一個HF分子的F帶的負(fù)電性也更強(qiáng)，那么容易理解，“F1－H…F2”中氫鍵的引力強(qiáng)度是強(qiáng)于“O1－H…O2”的。

從這個角度看，HF的分子間作用力大于H2O，那么它的沸點(diǎn)應(yīng)該比H2O高才對，這與事實(shí)是相違背的。

實(shí)際上，這個比較是針對形成氫鍵的兩個分子而言的，但是對于一個物質(zhì)來說，它內(nèi)部不只有兩個分子，那么這時，大量分子之間的作用應(yīng)該是單個分子作用力的總和氟化氫，所以容易想到比較水和HF中氫鍵的數(shù)量。

3．比較H2O、HF氫鍵的數(shù)量

（1）在水分子中：O采取sp3雜化，其中2個雜化軌道用于與H形成σ鍵，而另2個雜化軌道分別排布著1對孤電子對，上述的2個成鍵電子對和2個孤電子對在空間均勻伸展，形成一個四面體結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。其中，每個H原子可以與其它水分子中O原子上的孤電子對形成1個氫鍵，每個O原子上的孤電子對可以與其它水分子中H原子形成1個氫鍵，那么1個水分子就可以形成4個氫鍵（如圖3所示），但是每個氫鍵都被2個水分子共用，因此1個水分子實(shí)際形成的氫鍵數(shù)量需要用均攤法計算：4÷2＝2個。那么1mol水中最多形成2mol氫鍵。

（2）在HF分子中：F不雜化，3個2p軌道彼此垂直，其中2px軌道與H原子形成共價鍵，2py和2pz軌道各排布1對孤電子對（如圖4所示）。類比剛才對水分子的分析，可以想到H原子可以與其它HF分子中F原子上的孤電子對形成1個氫鍵，每個F原子上的2個孤電子對可以與其它HF分子中H原子形成2個氫鍵甲醇報警器，這樣分析，可得出“每個HF分子最多也能形成3個氫鍵”的結(jié)論。但實(shí)際上，由于空間位阻的原因，F(xiàn)原子上的2對孤電子對中，只有其中1對能與另一個HF分子的H原子形成1個氫鍵。也就是說每個HF分子最多也能形成2個氫鍵（如圖5所示）。再進(jìn)行均攤，那么1mol HF中氫鍵的數(shù)量只有大約1mol（甚至小于1mol，其實(shí)這個數(shù)值是無法精確得到的，這只是一個定性的估計）。

4．得出結(jié)論

基于上述分析天然氣報警器，可知HF中氫鍵的強(qiáng)度雖強(qiáng)于H2O，但由于氫鍵的數(shù)量僅為H2O的一半，所以HF的熔沸點(diǎn)反而比H2O低。

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