化學鍵的模糊地帶,科學家發現具共價鍵強度的新型氫鍵

作者 | 發布日期 2021 年 01 月 08 日 17:24 | 分類 材料 , 材料、設備 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


大家都知道氫鍵與共價鍵的不同,前者一般被認為倚靠弱電吸引力結合,後者則是一種強化學鍵。但現在,科學家發現了一種與共價鍵同樣強大的新型氫鍵,它也涉及電子共享,模糊了氫鍵與共價鍵之間的區別。

氫鍵和共價鍵的本質並不相同,作用強度也差很多,共價鍵(Covalent bond)是非金屬原子彼此共用外層電子所形成的一種化學鍵,能將分子結合在一起組成較穩定和堅固的化學結構;氫鍵(Hydrogen bond)則是分子之間的作用力,若要形容的話,氫鍵像男女朋友,看對眼就在一起,感情淡了就和平分手沒有名份束縛,共價鍵則像有一紙婚約在身,要分要離都比較麻煩點。

然而氫鍵卻在生命構成中占據重要地位,因為擁有雙螺旋結構的 DNA 就是靠著氫鍵結合在一起,化學家也知道某些氫鍵似乎比其他氫鍵更強。為了探討氫鍵可以強到什麼程度,芝加哥大學化學家 Andrei Tokmakoff 團隊將氟化氫化合物溶解於水中進行實驗,卻發現驚人的結果。

按照常理,研究人員預期看到氫原子透過共價鍵與一個氟鍵結合、然後透過氫鍵與另一個氟鍵結合。然而進行實驗卻發現氫原子被另外 2 個氟原子擠壓在中間,就像在共享電子的共價鍵,而不是氫原子透過共價鍵與一個氟原子緊密結合、然後透過另一個氫鍵鬆散地與另一個氟原子結合。

這種情況下,共價鍵與氫鍵的差異不再明顯。

後續電腦計算表明,發生這種行為取決於 2 個氟原子之間的距離。當氟原子彼此靠近時,它們之間的氫被擠壓,讓氫鍵變得更強,直到 3 個原子開始以共價鍵形式共享電子形成單鏈,研究人員稱之為氫介導的化學鍵。但如果氟原子距離較遠,則仍適用常規的強共價鍵與弱氫鍵結合模式。

研究認為氫介導的化學鍵不能被稱為純氫鍵或純共價鍵,它實際上更像兩者混合體,雖然這項發現引發了「化學鍵是什麼」的反思,不過團隊實驗表明,當分子在溶液中相互碰撞時,這些類似共價鍵的強氫鍵可能會瞬間出現。

由於很多科學家認為強氫鍵在蛋白質氫化物運輸、燃料電池中的質子交換等方面具正面效益,更加了解氫鍵可能有助於科學家改良這些過程的設計。

新論文發表在《科學》(Science)期刊。

(首圖來源:pixabay