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挑战化学中的一个基本概念

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化学键这一概念想必对于所有学习化学的人都不会陌生。最近,一项新的研究触及到了这样一个基本问题――我们对化学键的定义和理解,足够精准吗?

这项于1月8日发表在《科学》杂志的研究报告了一种异常强大的氢键。研究结果表明,这种强氢键实际上是共价键氢键的杂合体。论文的通讯作者Andrei Tokmakoff在一个采访中说道:“我们对化学键的理解,以及我们教授化学键的方式,都是非黑即白的。而这项新研究表明,(化学键中)实际上还存在一个连续的统一体。”

在了解新的研究之前,我们先来复习一下共价键和氢键在教科书中是如何定义的。

共价键是一种能将分子内的原子结合在一起的强化学键,它指的是在两个或多个原子间,由于外层电子的共享而形成的稳定化学键。化学家经常用“杆”或“弹簧"来描述原子通过电子间相互作用所形成的强共价键。氢键指的则是与一个电负性原子共价结合的氢原子,同另一个电负性原子之间的相互作用,这通常被理解为一种经典的静电相互作用,是种弱电吸引,而非真正的化学键。

氢键存在于各种物质中,比如在水(H O)中,如果没有氢键,水在室温下就会是气体而不是液体。虽然水中的大多数氢键的强度都较弱,但在含有大量氢离子的水中,是可以形成强氢键的。强氢键是氢键中的一个特殊类别,它们有着难以捉摸的特性,在过去几十年里一直是化学家研究的焦点。

在新研究中,研究人员利用飞秒红外光谱和量子计算,通过对水中的氟化氢根(化学式为HF 的离子)进行研究,捕捉到了一种特殊的化学键。

在HF 离子中,氢原子夹在两个氟原子之间。根据经典理解来看,氢原子应该通过共价键与一个氟原子紧密结合,通过氢键与另一个氟原子松散地结合。

氟化氢根,中间白球代表氢原子,两边绿球代表氟原子。

为了研究HF 中的键合情况,在实验中,研究人员利用红外光让HF 离子振动。然后通过氢原子在振动时发生的位移,测得了一系列与氢原子的位置相关的势能能级。

实验表明,当氢原子与一个氟原子通过共价键结合时(F-H),其势能曲线是相对对称的;接着,当F-H与另一个氟离子相互作用形成一个较弱的氢键时,就会轻微地削弱氢原子与第一个氟原子之间的强共价键,造成了势能曲线的不对称。随着氢键越来越强,共价键就会被进一步削弱。

左端的势能显示了一个典型的氟-氢(F-H)共价键,在溶液中,H 与另一个F 的相互作用产生了越来越强的氢键,削弱F-H共价键。图中底部的共价-氢键杂合体所显示的对称的势能曲线,表明HF 中不再有氢键和共价键之分。| 图片素材来源:JOSHUA BIRD / SCIENCE

通过量子计算,研究人员发现,HF 离子中的键合情况取决于两个氟原子之间的距离。当氟原子相互靠近,对夹在它们之间的氢原子进行挤压时,氢键就会变得更强,直到所有的三个原子都开始像共价键一样共享电子。

当氢原子位于两个氟原子的中心时,HF 处于一种可长期在水中存在的稳定状态。在这种情况下,氢原子会完全地被两个氟原子平分共享。且此时,氢原子与两个氟原子之间的键合既不是简单的共价键,也不是简单的氢键,而是二者的杂合体。

在这种情况下,过去认为的氢原子会通过共价键与一个氟原子紧密结合,通过氢键松散地与另一个氟原子结合的传统理解就不再正确;但对于相距较远的氟原子,对共价键和氢键的传统描述仍然适用,它们之间仍表现出明显的区别。

这种共价键-氢键的杂合体的存在,挑战了我们目前对化学键究竟是什么的理解。与此同时,这一发现也为我们更好地理解化学反应提供了机会,为理解化学的一些基本问题带来新的启示。

#创作团队:

文字:糖兽

封面图:岳岳子

插图:雯雯子

#参考来源:

https:https://www.sciencenews.org/article/new-weird-hybrid-chemical-bond-hydrogen-covalent

https:https://science.sciencemag.org/content/371/6525/123

https:https://science.sciencemag.org/content/371/6525/160

#图片来源

插图:JOSHUA BIRD/SCIENCE

封面图水分子:mariolayaquerevalu / Pixabay

封面图背景:DavidRockDesign / Pixabay

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