Ученые недавно открыли совершенно новый тип химической связи - и она намного прочнее, чем имеет право быть.

Новый тип связи показывает, что разрыв между мощными ковалентными связями, которые связывают молекулы вместе, и слабыми водородными связями, которые образуются между молекулами и могут быть разрушены чем-то таким простым, как размешивание соли в стакане воды, не так очевиден как подсказывают учебники химии.

Вспомните тот школьный урок химии, и вы вспомните, что существуют разные типы связей, которые связывают атомы вместе в молекулы и кристаллические структуры.

Ионные связи связывают металлы и неметаллы с образованием солей. Сильные ковалентные связи связывают вместе такие молекулы, как углекислый газ и вода. Гораздо более слабые водородные связи образуются из-за электростатического притяжения между водородом и более отрицательно заряженным атомом или молекулой, например, заставляя 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 имеют легко заметные эффекты. Но исследователям давно известно, что во время химической реакции, когда химические связи образуются или разрываются, все обстоит сложнее и включает «промежуточные состояния», которые могут существовать в течение крошечных долей секунды и их труднее наблюдать.

В новом исследовании исследователям удалось сохранить эти промежуточные состояния достаточно долго, чтобы провести детальное исследование. Они обнаружили водородную связь с силой 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 притягивались к атомам водорода из-за дисбаланса положительных и отрицательных зарядов на их поверхностях, классической структуры водородной связи. Каждый атом водорода имел тенденцию быть зажатым между двумя атомами фтора. Но эти бутерброды были связаны вместе большей прочностью, чем обычные водородные связи, которые легко разрываются. Атомы водорода подпрыгивают между атомами фтора, образуя связи столь же сильные, как ковалентные связи, и напоминающие молекулы, которые водородные связи не должны образовывать. Но механизм новой связи был электростатическим, что означало, что он включал в себя различия в положительном и отрицательном заряде, которые определяют водородные связи.

Новые связи имели прочность 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. Согласно книге, водородная связь обычно имеет энергию от 1 до 3 ккал / моль. Биохимия.

Они описали свои результаты в статье, опубликованной в четверг (7 января) в журнале. В сопроводительном статье in 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, - писали они, - где часто используются« промежуточные состояния реакции » но редко изучаются напрямую ».

Они писали, что подобные связи, вероятно, существуют в чистой воде, когда атом водорода оказывается зажатым между двумя молекулами воды. Но считается, что эти связи существуют, но не так долго, пишут исследователи. И они никогда не наблюдались окончательно.

Они писали, что это исследование может открыть дверь к «более глубокому пониманию сильной связи» и промежуточных реакционных состояний.