甲醛（化學式HCHO）作為一種簡單而重要的有機化合物，在工業、醫療和家居環境中廣泛存在。然而，其高反應性和潛在毒性使其成為化學研究和環境保護的重要課題。特別是甲醛與水的反應及其分子間相互作用（如氫鍵形成）對理解其化學性質、溶解行為和去除方法具有重要意義。
一、甲醛的基本性質
1. 甲醛的化學結構
甲醛是由一個碳原子、一個氧原子和兩個氫原子組成的分子（HCHO），其結構為平面三角形：
• 碳原子通過雙鍵（C=O）與氧原子連接，形成羰基。
• 碳原子通過兩個單鍵（C-H）與兩個氫原子連接。
• 羰基中的氧原子帶有部分負電荷，具有較強的親電性，使甲醛具有高反應活性。
2. 物理性質
• 外觀：甲醛在常溫下為無色、具有刺激性氣味的氣體。
• 溶解性：甲醛極易溶于水，市售甲醛溶液（福爾馬林）通常為37%-40%的水溶液。
• 沸點：純甲醛的沸點為-19.5°C，易揮發。
• 極性：甲醛分子具有較大的偶極矩（約2.33D），因羰基氧原子的電負性較高。
3. 化學性質
甲醛是醛類化合物中活性最高的分子，具有以下特點：
• 氧化性與還原性：甲醛可被氧化為甲酸（HCOOH），也可作為還原劑（如在銀鏡反應中還原銀離子）。
• 親核加成：羰基的碳原子易被親核試劑（如水、醇）攻擊，形成加成產物。
• 聚合反應：甲醛在特定條件下可聚合成多聚甲醛或形成樹脂。
二、甲醛與水的反應
甲醛與水之間的反應是其化學行為的重要方面，涉及親核加成和平衡反應。
1. 反應類型：水合反應
甲醛在水中發生的主要反應是親核加成反應，生成甲二醇（H?C(OH)?）。這是因為水的氧原子作為親核試劑攻擊甲醛羰基的碳原子，導致雙鍵斷裂并形成新的單鍵。
反應方程式：
HCHO + H?O ? H?C(OH)?
機理：
• 水的氧原子（帶孤對電子）攻擊甲醛羰基的碳原子（帶部分正電荷），形成過渡態。
• 羰基雙鍵中的一個π鍵斷裂，氧原子上的負電荷轉移，形成四面體中間體。
• 中間體通過質子轉移穩定，生成甲二醇。
平衡特性：
該反應是可逆的平衡反應。在水溶液中，甲醛分子（HCHO）和甲二醇（H?C(OH)?）共存，平衡常數（K）約為2×10³，表明甲二醇占主導地位。
2. 反應條件與產物分布
• 濃度：在稀水溶液中（<1%），幾乎99.9%的甲醛以甲二醇形式存在；在高濃度溶液（如37%福爾馬林）中，部分甲醛仍以游離形式存在。
• 溫度：升高溫度會使平衡向左移動，增加游離甲醛的比例；低溫則有利于甲二醇形成。
• pH值：中性或弱酸性條件下，甲二醇穩定；在強酸或強堿條件下，可能發生其他反應（如聚合或分解）。
3. 聚合反應
在高濃度或特定條件下，甲二醇可進一步發生縮聚反應，形成多聚甲醛（HO(CH?O)?H）或低聚物：
反應方程式：
n H?C(OH)? → HO(CH?O)?H + (n-1) H?O
• 條件：高濃度甲醛溶液、長時間儲存或低溫環境。
• 表現：福爾馬林長時間放置可能出現白色沉淀，即多聚甲醛。
4. 實際意義
• 穩定性：甲二醇的形成使甲醛水溶液更穩定，降低揮發性，減少刺激性氣味。
• 應用：甲醛水溶液（福爾馬林）廣泛用于防腐、殺菌和標本保存，甲二醇的高溶解性和低揮發性是其應用基礎。
• 去除甲醛：甲醛與水的可逆反應說明，水洗或濕布擦拭對去除游離甲醛有一定效果，但無法完全消除結合態甲醛（如脲醛樹脂中的甲醛）。
三、甲醛能形成氫鍵嗎？
氫鍵是一種分子間或分子內的非共價相互作用，發生在電負性較強的原子（如O、N、F）與共價鍵結合的氫原子之間。甲醛的分子結構和極性使其具有形成氫鍵的潛力。
1. 甲醛分子的氫鍵形成能力
甲醛分子（HCHO）的羰基氧原子具有高電負性，帶有部分負電荷，而羰基碳原子和氫原子帶部分正電荷。這種極性分布使甲醛在以下情況下可形成氫鍵：
作為氫鍵受體：
• 甲醛的氧原子（C=O）具有孤對電子，可接受其他分子中帶正電荷的氫原子（如水分子中的O-H）形成氫鍵。
• 例如，在甲醛水溶液中，水分子中的氫原子（H-O-H）與甲醛的氧原子形成氫鍵：HCHO...H-O-H。
作為氫鍵供體（有限）：
• 甲醛的C-H鍵中的氫原子帶微弱正電荷，理論上可作為氫鍵供體，但由于C-H鍵的極性較弱，這種氫鍵強度低，通常不顯著。
• 在純甲醛液體或氣態中，甲醛分子間可能形成弱C-H...O=C氫鍵，但能量遠低于傳統氫鍵（如O-H...O）。
2. 甲醛與水的氫鍵作用
在甲醛水溶液中，氫鍵是甲醛溶解和反應的重要驅動力：
• 甲醛分子與水：游離甲醛（HCHO）的氧原子與水分子形成氫鍵，增強溶解性。
• 甲二醇與水：甲二醇（H?C(OH)?）含有兩個羥基（-OH），可作為氫鍵供體和受體，與水分子形成多重氫鍵網絡，類似乙二醇或甘油的溶解行為。
• 氫鍵強度：O-H...O型氫鍵的能量約為20-40 kJ/mol，顯著增強甲二醇在水中的穩定性。
3. 甲醛在其他體系中的氫鍵
• 與醇類：甲醛可與甲醇、乙醇等形成O-H...O=C氫鍵，生成半縮醛或縮醛。
• 與蛋白質：甲醛在生物體系中（如福爾馬林固定組織）可通過氫鍵和共價鍵與蛋白質的氨基或羥基反應，增強組織穩定性。
• 聚合物中：脲醛樹脂或酚醛樹脂中，甲醛衍生物通過氫鍵網絡增強材料強度。
4. 氫鍵的影響
• 溶解性：氫鍵使甲醛在水中高度溶解，溶解度可達50%以上。
• 揮發性：氫鍵降低甲醛水溶液的揮發性，減少氣態甲醛釋放。
• 反應活性：氫鍵穩定反應中間體，促進甲二醇形成。
四、甲醛與水反應的應用與注意事項
1. 工業與醫療應用
• 福爾馬林：37%-40%甲醛水溶液用于標本保存、消毒和防腐，甲二醇的高穩定性是其關鍵。
• 樹脂生產：甲醛與尿素、酚類反應生成脲醛樹脂、酚醛樹脂，廣泛用于膠合板、家具和涂料。
• 化學合成：甲醛水溶液作為原料，參與有機合成，如生產季戊四醇。
2. 環境保護與甲醛去除
室內污染：甲醛是新裝修房屋的主要污染物，來源于膠合板、涂料和家具。甲醛與水的可逆反應說明，通風和濕布擦拭可部分去除游離甲醛。
去除方法：
• 通風：加速游離甲醛揮發，降低室內濃度。
• 水洗：用濕布擦拭家具表面，溶解部分甲醛。
• 吸附劑：活性炭、光觸媒可吸附或分解甲醛。
• 植物：如綠蘿、吊蘭通過吸收和代謝微量甲醛，效果有限。
3. 健康與安全注意事項
毒性：甲醛是已知的致癌物，長期接觸可能引發呼吸道疾病、白血病等。甲醛水溶液刺激性較小，但仍需注意防護。
安全操作：
• 使用甲醛溶液時，佩戴手套、口罩，保持通風。
• 避免將福爾馬林直接接觸皮膚或吸入蒸汽。
• 儲存時密封，避免高溫導致甲醛揮發。
法規：《室內空氣質量標準》（GB/T 18883-2022）規定室內甲醛濃度限值為0.08 mg/m³，裝修后需檢測確保安全。
五、如何判斷甲醛與水的反應效果？
1. 實驗觀察
• 氣味變化：純甲醛氣味刺鼻，水溶液氣味較溫和，說明甲二醇形成。
• 沉淀生成：長時間儲存的福爾馬林出現白色沉淀（多聚甲醛），表明縮聚反應發生。
• 化學測試：用銀氨溶液（銀鏡反應）檢測游離甲醛，甲二醇反應性較低，可間接判斷平衡狀態。
2. 儀器分析
• 紅外光譜（IR）：檢測溶液中C=O（甲醛，~1720 cm?¹）和O-H（甲二醇，~3400 cm?¹）的吸收峰，判斷甲二醇比例。
• 核磁共振（NMR）：分析HCHO和H?C(OH)?的化學位移，量化平衡常數。
• 氣相色譜（GC）：測定游離甲醛濃度，評估反應程度。
3. 實際應用
• 穩定性測試：福爾馬林在常溫下儲存數月仍透明無沉淀，說明甲二醇穩定。
• 去除效率：通過甲醛檢測儀測量水洗前后室內甲醛濃度，評估水合反應的去除效果。
甲醛與水的反應在福爾馬林、樹脂生產和化學合成中有廣泛應用，同時為室內甲醛去除提供了理論基礎。然而，甲醛的毒性要求使用和儲存時嚴格防護，裝修后需通過通風、水洗和檢測確保安全。
