Această legătură chimică ciudată acționează ca un amestec de hidrogen și legături covalente

Studenții la chimie din întreaga lume sunt familiarizați cu legăturile covalente și legăturile de hidrogen. Acum, un studiu a dezvăluit o varietate ciudată de legături care acționează ca un hibrid dintre cele două. Proprietățile sale ridică întrebări despre modul în care sunt definite legăturile chimice, raportează chimiștii în 8 ianuarie Ştiinţă.

Legăturile de hidrogen sunt considerate de obicei atracții electrice slabe, mai degrabă decât legături chimice adevărate. Legăturile covalente, pe de altă parte, sunt legături chimice puternice care țin împreună atomii într-o moleculă și rezultă din împărțirea electronilor între atomi. Acum, cercetătorii raportează că o varietate neobișnuit de puternică de legături de hidrogen este de fapt un hibrid, deoarece implică electroni în comun, estompând distincția dintre hidrogen și legăturile covalente.

„Înțelegerea noastră despre legăturile chimice, modul în care o predăm, este foarte mult alb-negru”, spune chimistul Andrei Tokmakoff de la Universitatea din Chicago. Noul studiu arată că „există de fapt un continuum”.

Tokmakoff și colegii sai au caracterizat legătura hibridă prin observarea unor grupuri de atomi numite ioni de bifluorura, constând dintr-un singur atom de hidrogen, prins între o pereche de atomi de fluor, în apă. Conform înțelepciunii convenționale, atomul de hidrogen este legat de un fluor printr-o legătură covalentă și de celălalt fluor printr-o legătură de hidrogen.

Cercetătorii au folosit lumina infraroșie pentru a seta ionii de bifluorura să vibreze și au măsurat răspunsul atomilor de hidrogen, dezvăluind o serie de niveluri de energie la care atomii de hidrogen au vibrat. Pentru o legătură tipică de hidrogen, distanța dintre aceste niveluri de energie ar scădea pe măsură ce atomul urca mai mult pe scara energetică. Dar, în schimb, cercetătorii au descoperit că distanța a crescut. Acest comportament a indicat că atomul de hidrogen a fost împărțit în mod egal între cei doi atomi de fluor, mai degrabă decât să fie strâns legat de un atom de fluor printr-o legătură covalentă și mai slab legat de celălalt printr-o legătură tipică de hidrogen. În acel aranjament, „diferența dintre covalentul și [hydrogen] legătura este ștearsă și nu mai are sens”, spune coautorul studiului Bogdan Dereka, chimist și la Universitatea din Chicago.

Calculele computerizate au arătat că acest comportament depinde de distanța dintre cei doi atomi de fluor. Pe măsură ce atomii de fluor se apropie unul de altul, strângând hidrogenul între ei, legătura normală de hidrogen devine mai puternică, până când toți cei trei atomi încep să împartă electroni ca într-o legătură covalentă, formând o singură legătură pe care cercetătorii o numesc o legătură chimică mediată de hidrogen. . Pentru atomii de fluor care sunt mai îndepărtați, descrierea convențională, cu legături covalente și de hidrogen distincte, se aplică în continuare.

Legătura chimică mediată de hidrogen nu poate fi descrisă nici ca o legătură de hidrogen pură, nici ca o legătură covalentă pură, concluzionează cercetătorii. „Este într-adevăr un hibrid dintre cele două”, spune chimistul Mischa Bonn de la Institutul Max Planck de Cercetare a Polimerilor din Mainz, Germania, care a fost coautor al unui articol de perspectivă asupra studiului, publicat de asemenea în Ştiinţă.

Legăturile de hidrogen apar într-o varietate de substanțe, cel mai cunoscut în apă. Fără legături de hidrogen, apa la temperatura camerei ar fi un gaz în loc de un lichid. În timp ce majoritatea legăturilor de hidrogen din apă sunt slabe, în apa care conține ioni de hidrogen în exces se pot forma legături puternice de hidrogen similare cu cele găsite în ionii de bifluorura. Două molecule de apă pot sandwich un ion de hidrogen, creând ceea ce se numește un ion Zundel, în care ionul de hidrogen este împărțit în mod egal între cele două molecule de apă. Noile rezultate reflectă comportamentul ionului Zundel, spune chimistul Erik Nibbering de la Institutul Max Born pentru Optică Neliniară și Spectroscopie în Puls Scurt din Berlin, care a fost coautor al unei lucrări din 2017 în Ştiinţă pe ionul Zundel. „Totul se potrivește bine.”

Se crede că legăturile puternice de hidrogen joacă un rol în transportul ionilor de hidrogen, un proces crucial pentru o varietate de mecanisme biologice, inclusiv alimentarea celulelor și pentru tehnologii precum pilele de combustibil. Așadar, o mai bună înțelegere a acestor legături ar putea pune în lumină o varietate de efecte.

Și noua observație are implicații asupra modului în care oamenii de știință înțeleg principiile de bază ale chimiei. „Atinge înțelegerea noastră fundamentală a ceea ce este o legătură chimică”, spune Bonn.

Această nouă înțelegere a legăturii chimice ridică, de asemenea, întrebări despre ceea ce se califică drept moleculă. Atomii legați prin legături covalente sunt considerați parte a unei singure molecule, în timp ce cei legați prin legături de hidrogen pot rămâne entități separate. Deci, legăturile în limbo între cei doi ridică întrebarea „când treci de la două molecule la o moleculă?” spune Tokmakoff.