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
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.