Science:挑戰化學基本概念!化學鍵究竟是什麼?

2021-01-19 化學科訊

本文經授權轉載自微信公眾號「原理」（ID：principia1687）」



化學鍵這一概念想必對於所有學習化學的人都不會陌生。最近，一項新的研究觸及到了這樣一個基本問題——我們對化學鍵的定義和理解，足夠精準嗎？


這項於1月8日發表在《科學》雜誌的研究報告了一種異常強大的氫鍵。研究結果表明，這種強氫鍵實際上是共價鍵和氫鍵的雜合體。論文的通訊作者Andrei Tokmakoff在一個採訪中說道：「我們對化學鍵的理解，以及我們教授化學鍵的方式，都是非黑即白的。而這項新研究表明，（化學鍵中）實際上還存在一個連續的統一體。」



在了解新的研究之前，我們先來複習一下共價鍵和氫鍵在教科書中是如何定義的。


共價鍵是一種能將分子內的原子結合在一起的強化學鍵，它指的是在兩個或多個原子間，由於外層電子的共享而形成的穩定化學鍵。化學家經常用「杆」或「彈簧"來描述原子通過電子間相互作用所形成的強共價鍵。氫鍵指的則是與一個電負性原子共價結合的氫原子，同另一個電負性原子之間的相互作用，這通常被理解為一種經典的靜電相互作用，是種弱電吸引，而非真正的化學鍵。


氫鍵存在於各種物質中，比如在水（H₂O）中，如果沒有氫鍵，水在室溫下就會是氣體而不是液體。雖然水中的大多數氫鍵的強度都較弱，但在含有大量氫離子的水中，是可以形成強氫鍵的。強氫鍵是氫鍵中的一個特殊類別，它們有著難以捉摸的特性，在過去幾十年裡一直是化學家研究的焦點。


在新研究中，研究人員利用飛秒紅外光譜和量子計算，通過對水中的氟化氫根（化學式為HF₂⁻的離子）進行研究，捕捉到了一種特殊的化學鍵。





在HF₂⁻離子中，氫原子夾在兩個氟原子之間。根據經典理解來看，氫原子應該通過共價鍵與一個氟原子緊密結合，通過氫鍵與另一個氟原子鬆散地結合。


 氟化氫根，中間白球代表氫原子，兩邊綠球代表氟原子。


為了研究HF₂⁻中的鍵合情況，在實驗中，研究人員利用紅外光讓HF₂⁻離子振動。然後通過氫原子在振動時發生的位移，測得了一系列與氫原子的位置相關的勢能能級。


實驗表明，當氫原子與一個氟原子通過共價鍵結合時（F-H），其勢能曲線是相對對稱的；接著，當F-H與另一個氟離子相互作用形成一個較弱的氫鍵時，就會輕微地削弱氫原子與第一個氟原子之間的強共價鍵，造成了勢能曲線的不對稱。隨著氫鍵越來越強，共價鍵就會被進一步削弱。


 左端的勢能顯示了一個典型的氟-氫（F-H）共價鍵，在溶液中，H⁺與另一個F⁻的相互作用產生了越來越強的氫鍵，削弱F-H共價鍵。圖中底部的共價-氫鍵雜合體所顯示的對稱的勢能曲線，表明HF₂⁻中不再有氫鍵和共價鍵之分。| 圖片素材來源：JOSHUA BIRD / SCIENCE


通過量子計算，研究人員發現，HF₂⁻離子中的鍵合情況取決於兩個氟原子之間的距離。當氟原子相互靠近，對夾在它們之間的氫原子進行擠壓時，氫鍵就會變得更強，直到所有的三個原子都開始像共價鍵一樣共享電子。


當氫原子位於兩個氟原子的中心時，HF₂⁻處於一種可長期在水中存在的穩定狀態。在這種情況下，氫原子會完全地被兩個氟原子平分共享。且此時，氫原子與兩個氟原子之間的鍵合既不是簡單的共價鍵，也不是簡單的氫鍵，而是二者的雜合體。


在這種情況下，過去認為的氫原子會通過共價鍵與一個氟原子緊密結合，通過氫鍵鬆散地與另一個氟原子結合的傳統理解就不再正確；但對於相距較遠的氟原子，對共價鍵和氫鍵的傳統描述仍然適用，它們之間仍表現出明顯的區別。



這種共價鍵-氫鍵的雜合體的存在，挑戰了我們目前對化學鍵究竟是什麼的理解。與此同時，這一發現也為我們更好地理解化學反應提供了機會，為理解化學的一些基本問題帶來新的啟示。


#創作團隊：

文字：糖獸

封面圖：嶽嶽子

插圖：雯雯子

#參考來源：

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

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

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

#圖片來源：

插圖：JOSHUA BIRD/SCIENCE

封面圖水分子：mariolayaquerevalu / Pixabay

封面圖背景：DavidRockDesign / Pixabay


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