Открыт новый тип невероятно прочной химической связи
Разрыв между мощными ковалентными связями, которые соединяют целые молекулы, и слабыми водородными связями, которые образуются между молекулами и могут быть разорваны даже простым размешиванием соли в стакане воды, всегда казался химикам весьма существенным – об этом вы прочтете в любом учебнике химии. Что ж, реальность оказалось куда более сложной и неоднозначной.
Напомним, что в мире существуют разные типы связей, которые связывают атомы в молекулы и кристаллические структуры.
Ионные связи связывают металлы и неметаллы с образованием солей. Прочные ковалентные связи связывают вместе такие молекулы, как диоксид углерода и вода. Более слабые водородные связи образуются из-за электростатического притяжения между водородом и отрицательно заряженным атомом или молекулой. Например, именно они заставляют молекулы воды притягиваться друг к другу и образовывать капли или кристаллический лед. Ионные, ковалентные и водородные связи относительно стабильны; они, как правило, сохраняются в течение длительных периодов времени и заметно отличаются друг от друга. Но исследователям давно известно, что во время химической реакции, когда происходит образование или разрушение химических связей, возникают так называемые «промежуточные состояния». Большинство из них существуют в течение крошечных долей секунды, а потому наблюдать и изучать их очень непросто. В новом исследовании ученым удалось сохранить эти промежуточные состояния достаточно долго, чтобы провести детальное исследование. Они обнаружили водородную связь с прочностью ковалентной связи, связывающую атомы вместе в нечто, напоминающее молекулу. Для этого исследователи растворили фтористый водород в воде и наблюдали, как взаимодействуют атомы водорода и фтора. Атомы фтора притягиваются к атомам водорода из-за дисбаланса положительных и отрицательных зарядов на их поверхностях, что является классической структурой водородной связи. Каждый атом водорода при этом имел тенденцию быть зажатым между двумя атомами фтора. Но эти «бутерброды» были связаны вместе намного прочнее, чем обычные водородные связи, которые легко разорвать. В нашем же случае атомы водорода «подпрыгивали» между атомами фтора, образуя связи столь же прочные, как ковалентные. В результате получалось нечто, похожее на молекулу, которую водородные связи никак не должны образовывать.
Но механизм новой связи был электростатическим, то есть он включал в себя различия в положительном и отрицательном заряде, которые определяют именно водородный тип связи. Новая связь обладала прочностью в 45,8 килокалорий на моль (единица энергии химической связи) - больше, чем у некоторых ковалентных связей. Молекулы азота, например, состоят из двух атомов азота, связанных вместе с силой около 40 ккал/моль, согласно LibreTexts. А водородная связь и вовсе обычно имеет энергию от 1 до 3 ккал/моль – разница очевидна.
Результаты исследования описаны в статье, опубликованной в журнале Science. В сопроводительной статье в Science, Миша Бонн и Йоханнес Хунгер, исследователи из Института исследований полимеров Макса Планка в Германии, которые не участвовали в исследовании, написали, что эта необычная связь размывает четкие категории химии.
«Существование гибридного состояния с ковалентной водородной связью не только бросает вызов нашему нынешнему пониманию того, что такое химическая связь, но также дает возможность лучше понять химические реакции. Мы часто упоминаем в работе «промежуточные состояния реакции», но редко изучаем их напрямую».
Ученые пишут, что похожие связи, вероятно, существуют в чистой воде, когда атом водорода оказывается зажатым между двумя молекулами воды. Однако они никогда не изучались на практике, а потому новое исследование может «открыть дверь к более глубокому пониманию концепции сильной связи» и промежуточных реакционных состояний.