化学公式的基础是什么（挑战化学中的一个基本概念）

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和氢键的杂合体。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（H₂O）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HF₂⁻的离子）进行研究，捕捉到了一种特殊的化学键。

在HF₂⁻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HF₂⁻中的键合情况，在实验中，研究人员利用红外光让HF₂⁻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HF₂⁻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，HF₂⁻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，HF₂⁻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://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

#图片来源：

插图：JOSHUA BIRD/SCIENCE

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