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。
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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