化学键简史
早在1860年代初,化学家们已经开始以短横线连接元素符号的格式来书写化学物质的名称。例如,H-H表示由两个氢原子组成的氢气分子H2。到1866年,英国化学家爱德华·弗兰克兰德发明了“键(bond)”这个术语,来描述由这些短横线所代表的关系。一、似驴似马的元价键
原子可以以局部的方式共享电子,如共价键;也可以以全体的方式共享电子,如金属键;但不可能同时兼两者吧。所以传统上,共价键和金属键被认为是不能兼容的。但事情也许没那么简单。2019年,科学家发现一整类新材料,它们中的化学键似驴似马:既像共价键又像金属键。这类材料通常由来自金属和非金属交界处的类金属元素(如碲和锗)以及位于元素周期表金属区最右侧边缘的元素(如铅和锡)结合而成。这些元素结合成的键,每个都由两个电子组成(似共价键),然而这些电子又并非为单个分子所有,而为整块材料所共享(似金属键)。科学家称这种化学键为“元价键”,由此形成的化合物称为“初生金属”。二、幽灵氢键
事实上,早于范德瓦尔斯力,第一个被发现不合正规定义的化学键是氢键。氢键涉及已与氧、氮或氟等原子形成共价键的氢原子。由于这些元素的原子倾向于独占那对共享电子,使氢带有轻微的正电荷,因此氢又可以吸引其他负极性的分子(这类分子虽然总电荷为零,但由于电荷分布不均匀,导致略微带负电)。分子通过氢的媒介结合在一起,所以叫“氢键”。但氢键通常比共价键、离子键要弱得多,而且也不是靠共享或转移电子而形成的,所以又不是严格意义上的化学键。氢键的存在很普遍。水(H2O)在常温是液体而非气体,靠的是水分子之间的氢键;氨基酸的一条条分子链通过氢键形成复杂形状的蛋白;DNA双螺旋结构上的一对对碱基,通过氢键形成碱基对……然而,人们仍然不完全清楚氢键是什么。作为氢键的一个简单模型,双氟化物离子(HF2-)通常被认为是一个共价键的氟化氢(HF)分子,通过氢键结合一个氟离子形成的,假如用-代表共价键,…代表氢键,其结构式即为F-H…F。但科学家后来发现,当双氟化物离子在水中振动时,其结构在F-H…F和F…H…F之间不断变化。换句话说,其中一个键总是在共价键和氢键之间切换。在这里,氢键和共价键的区别开始模糊了。三、不涉及电子的机械键
把两个钥匙环扣在一起,它们也算“结合”成了一体。但这种“结合”不涉及任何作用力,仅仅是机械地串起来而已。有机化学中也有环状的分子,如苯。它们也可以机械地串起来,在不涉及电子的情况下就能永久地连接。这样的结合被称为“机械键”。用这种方式可以把环状和链状分子组装成纳米机器。例如,用轮烷类分子模仿车轮,用链烃类分子模仿车轴等,你可以像乐高玩具一样装配出纳米级别的机器。这些纳米机器可以被用作开关和转子,其潜在的应用包括分子信息存储,以及人工分子肌肉。2016年的诺贝尔化学奖颁给了在这个领域工作的三位化学家,以表彰他们在分子机器设计中的贡献。迄今为止,这些分子机器大多是在溶液中各自为阵,现在的一个挑战是,如何让这些分子机器协同工作。例如,只有当许多这样的分子机器一起工作时,由它们组成的群体才会真正发挥作用。四、不是由电子形成的化学键
迄今我们说的化学键,除了机械键,都涉及电子。那么,成键的能不能换成别的粒子呢?答案是肯定的。电子有位胖表亲,叫μ介子。μ介子与电子具有相同的负电荷,但质量要大207倍,也可以将原子结合起来。μ子可以在粒子加速器中制造出来,并能将电子从原子中撞出去,取代电子的位置。这样,原先成键的地方就变成了μ键。但μ子不稳定,存在时间只有几分之一秒,所以μ键的寿命也很短。这听起来似乎没什么用处。但由于μ子比电子要重得多,μ键的强度也会大得多,这将使分子中的两个原子核拉得更近。在一个通过μ键形成的H2分子中,两个氢原子核的距离是原来的1/196。研究人员一直试图利用这一效应,将两个氢原子核拉得足够近,以便它们能够发生聚变反应,释放出核能。1957年,物理学家用氢的重同位素氘和氚,首次演示了这一设想。虽然演示成功,但遗憾的是,这样的核反应无法持续。“持续”的意思是一个反应完成之后,能立刻就启动另一个,类似原子弹的链式裂变反应。所以,要想通过这种方式开发核能,目前还无法实现。欢迎光临 弧论坛 (http://arcii.org/) | Powered by Discuz! X3.1 |