Открытие нового типа сверхпрочной химической связи

Исследователи выявили новый тип водородных связей, прочность которых аналогична или превышает прочность некоторых ковалентных связей. Эти связи могут быть вовлечены во многие химические реакции и могут быть использованы в биологии или топливных элементах.

В химии существует три типа связей: ковалентная связь, которая возникает в результате объединения электронов между двумя атомами, ионная связь, при которой электроны от одного иона передаются соседнему атому, и межмолекулярная связь (к которой принадлежат водородные связи), которые более слабые по сравнению с двумя предыдущими. Все эти три связи относительно стабильны. Но исследователи давно знают, что во время химической реакции существуют промежуточные состояния, где атомы могут связываться в течение нескольких долей секунды, и поэтому их труднее наблюдать.

Прочные водородные связи

В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, впервые удалось наблюдать одно из этих промежуточных состояний, открыв новый тип химической связи: водородная связь, но с прочностью ковалентной связи (в принципе, водородная связь примерно в 20 раз слабее). Для этого исследователи растворили фтористый водород в воде и наблюдали, как атомы водорода и фтора взаимодействуют, с помощью прибора для спектроскопии, который регистрировал колебания атомов в инфракрасном свете.

Они обнаружили, что атомы фтора притягиваются к атомам водорода из-за дисбаланса положительных и отрицательных зарядов, как в стандартной водородной связи. В бифторидном растворе аниона каждый атом водорода, таким образом, имеет тенденцию быть "зажатым" между двумя атомами фтора.

Но исследователи обнаружили, что эти "бутерброды" были связаны между собой сильнее, чем типичные водородные связи. В этих коротких водородных связях атомы объединяются в структуру подобную молекуле, которая обычно характерна для ковалентной связи.

Но поскольку механизм новой связи имеет природу электростатическую, это означает, что связь остается хотя бы по характеру силы Ван-дер-Ваальса. По измерениям исследователей, эти новые связи имеют энергию связи 45.8 ккал/моль (около 192 кДж/моль), что выше, чем некоторые ковалентные связи. Молекула азота, например, состоит из двух атомов, соединенных связью с силой 38 ккал/моль. Водородные связи, с другой стороны, имеют энергию связывания от 1 до 5 ккал/моль.

Это открытие не является полной неожиданностью, но оно размывает карты определений химических связей и молекул. Это связано с тем, что атомы, связанные ковалентными связями, считаются молекулой, в то время как атомы, связанные через водородную связь, могут оставаться в независимых молекулах.

Возможна ли прочная связь между молекулами воды?

По мнению исследователей из Института Макса-Планка (не участвовавших в исследовании), вполне возможно, что этот тип связи существует в воде, где ион водорода зажат между двумя молекулами воды. Эти связи еще никогда окончательно не наблюдались, потому что их продолжительность жизни была бы намного короче, чем у фтора. "Изучение этих молекулярных движений и то, как они могут быть ориентированы в желаемом направлении, может иметь применение в переносе протонов в биологии и в таких технологиях, как мембраны топливных элементов", - говорят исследователи.Источник