教育房产时事环球科技商业
投稿投诉
商业财经
热点动态
科技数码
软件应用
国际环球
晨报科学
新闻时事
信息智能
汽车房产
办公手机
教育体育
生活生物

什么是氢键(氢键都是直线型的吗)

  本文来自公众号:X-MOLNews
  为何雪花总是六角形?为何水在常温下是液态?为何冰能浮在水面上?其实这都是氢键神奇的魔力 [1]。据说,今年是氢键被提出的一百周年 [2]。之所以用"据说",是因为有关氢键概念的提出时间一直存在争议。不过,可以肯定的是,关于氢键的研究至少已经历了一个世纪的历程。
  水分子间的氢键。图片来源:Wikipedia [3]
  1932年,鲍林(Linus C. Pauling)曾在他的论文中表示 [4],"氢键"是由Wendell Latimer和Worth Rodebush于1920年明确提出的 [5]。随后,鲍林在1939年正式出版了著名的书籍——The Nature of the Chemical Bond,把氢键的观点确定了下来。
  The Nature of the Chemical Bond。图片来源于网络
  如今,高中课本中这样描述氢键,"分子之间存在着一种比分子间作用力稍强的相互作用,这种相互作用叫做氢键"。2011年,国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)将氢键定义更新,"氢键就是键合于一个分子或分子碎片X–H上的氢原子与另外一个原子或原子团之间形成的吸引力。有分子间氢键和分子内氢键之分,其X的电负性比氢原子强。可表示为X–H…Y–Z,其中‘…’是氢键" [6]。
  早在1912年,Tom S. Moore和Thomas F. Winmill就意识到"氢键"的存在。这是因为他们在解释伯/仲/叔胺水合物和季铵碱之间的导电性存在很大差异时,设想三甲胺和水之间、季铵碱与氢氧根之间存在较弱的作用力,即下图中细线所表示的作用 [7]。这可能是关于氢键最早的暗示,尽管我们现在已经知道,图中两条"细线"所代表的含义并不相同。
  图片来源:JACS [7]
  那么,上个世纪20年代的科学发展到什么水平了呢?简单地说,如果你是一名高中生,穿越回100年前,凭借你的化学知识都可以成为先知,让当时的化学家们刮目相看。要是可以写一部这样的科学史穿越小说,或许可以碾压各种网络爽文穿越剧。
  九年前的1911年,卢瑟福(Ernest Rutherford)通过著名的金箔实验证明了原子核的存在,使得原子的行星模型推翻了1903年汤姆孙(J. J. Thomson)提出的葡萄干布丁模型,尽管前者其实也是不正确的。一年前的1919年,卢瑟福刚刚利用α粒子轰击氮核,并将发现的一种全新粒子命名为质子。而十二年后的1932年,查德威克(James Chadwick)才终于发现了中子。换句话说,1920年,科学界刚发现了电子,对质子还不太了解,中子更是未知物,对原子内所有东西的确切位置真的是一无所知。
  原子的行星模型。图片来源于网络
  化学家和物理学家不同,他们会从化学变化中思考原子结构以及与分子之间的关系。1916年,路易斯(Gilbert Newton Lewis)在The Atom and the Molecule [8] 一文中曾做出了准确的预言,他认为"在每个原子中都有一个核(原子核),其在所有化学变化中都是保持不变的"。要知道在当时,化学家还无法分辨共价键和离子键,比如,路易斯曾提出利用空格和冒号来描述化学键中电子的位置(如"Na:Cl"、"I:Cl"),并认为氯化钠是一种极性极强的分子。
  有人会说,那个时代是化学家的"立体主义(Cubism)"时期,整个科学界都在接受毕加索(Pablo Picasso)等艺术家的影响和洗礼。物理学家对原子的理解还不足以为化学的发展提供准确的信息,于是,化学家们凭借自己艺术般的想象力,开始了各种大胆的推测。例如,朗缪尔(Irving Langmuir)曾认为原子是"方方正正的",他在The arrangement of electrons in atoms and molecules [9] 一文中描绘了水分子和臭氧分子的结构示意图(下图),其中八面体代表一个氧原子," "代表氢原子,共用边代表单键,而共用面则代表双键。
  朗缪尔水分子(左)和臭氧分子(右)示意图。图片来源:Nat. Chem. [9]
  这就是1920年,Latimer和Rodebush在发表论文时的情况。因此,我们很难苛求他们所用的科学概念在今天是精准的,但是他们的判断和思考,在当时无疑是先进且大胆的。他们在讨论"缔合液体(Associated Liquids)"时提出,"一个水分子上的一对自由电子可能会对另一个水分子上的氢施加一定的力,将两个分子结合在一起",并意识到氢键和HF、H2O、NH3高沸点之间存在一定的关系。
  这一理论对当时的冲击无疑是巨大的,科学家们开始质疑,氢原子如何参与了两个"共价键"(至少当时是这么理解的)?不过,哈金斯(Maurice L. Huggins)和鲍林的研究在"氢键"概念的巩固和传播过程中,起到了关键的作用。1936年,哈金斯发表了关于氢键的论文,不但首次用"质子跃迁"解释了氢离子在水中的移动速度,还详细地讨论了碳酸中的氢键和角蛋白折叠中氢键对稳定构象的影响,并大胆地预测了氢键将在生物大分子研究中占据重要地位[10]。
  DNA双螺旋结构中的氢键。图片来源于网络
  随着X射线衍射和红外光谱分析的逐步完善,以及中子衍射和NMR核磁共振技术的兴起,化学家及物理学家测量出一系列氢键的键能、键长以及键角数据。特别值得一提的是Waston和Crick在1953年用X射线衍射技术确定了DNA双螺旋结构模型(上图)[11],氢键成为这个模型的重要组成部分。与此同时,第一届国际氢键大会于1957年在南斯拉夫的卢布尔雅那举行,关于氢键的研究受到了化学各个领域的。
  第一届国际氢键大会论文集。图片来源:Amazon
  随着化学键理论的完善,化学家们对氢键的争论一直没有停止,氢键仅仅是一种分子间弱的静电相互作用,还是类似于共价键存在部分电子云共享?有人甚至怀疑它到底存不存在。而另一方面,氢键的类型,也从简单的强氢键,拓展到如今π型氢键、二氢键、反氢键、金属型氢键等等。
  1976年,Kitaura和Morokuma运用能量分解法(又称为Kitaura-Morokuma能量分解法)将氢键的能量分解为静电吸引能(Electrostatic)、极化能(Polarization)、交换互斥能(ExchangeRepulsion)、电荷转移能(ChargeTransfer)以及一个差项(Coupling)[12]。此外,Coulson计算了水中的氢键,其中静电成分占了总能量的65%。这些结果暗示着氢键可能既包含共价性,又包含静电相互作用,而后者可能是氢键的主要组成部分。Kitaura-Morokuma能量分解法也成为氢键键能分析的常用方法。
  8-羟基喹啉团簇间的分子间氢键。图片来源:Science [12]
  2013年,中国科学院国家纳米科学中心的裘晓辉研究员课题组在Science 上发表论文(上图)[13],他们利用原子力显微镜技术,观测到分子间氢键和配位键相互作用,在国际上首次实现了分子间作用的直接成像。分子间氢键的"照片"被同年的Nature 评为年度最震撼的图片之一(下图)[14]。
  图片来源:Nature News [14]。
  氢键无处不在。它是有机反应的幕后推手,是催化剂的设计指南,是生物体内的平行世界,是化学吸附的传感器,是光谱红移蓝移的指南针,是材料组装最后的机理解释。关于氢键的研究还在继续,且永无止境。如果你相信弱作用力的说法和一条细线,那么就举杯庆祝氢键诞生108周年;如果你更欣赏Latimer和Rodebush对氢键明确且丰富的描述,那么,就举杯庆祝氢键百岁快乐!
  参考文献:
  [1] Why does ice float in water?
  https://ed.ted.com/lessons/why-does-ice-float-in-water-george-zaidan-and-charles-morton
  [2] Gibb B. C. The centenary (maybe) of the hydrogen bond. Nat. Chem., 2020, 12, 665-667. DOI: 10.1038/s41557-020-0524-2
  https://www.nature.com/articles/s41557-020-0524-2
  [3] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_bond
  [4] Pauling L. J. Am. Chem. Soc., 1935, 57, 2680-2684. DOI: 10.1021/ja01315a102
  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja01315a102
  [5] Latimer W. M.

宁陵县今日种猪价格宁陵县1价格宁陵县人民政府办公室关于印发宁陵县大面积停电事件应急预案的通知,2022年06月18日中国养猪网全国生猪价格外三元报价,养猪项目建设,全国今日仔猪价格表,不会缺席。很多一元种猪价格今日猪价一元种猪价格1猪肉价格,06月19日猪价,猪价有所上涨。全国猪价格今日猪价最新价格表。官方定调,涨价只会迟到。一元猪就是纯的一个品种,80元公斤四川省蒲江县生猪价格行情7月28日内显卡矿机今日矿工现货价格w显卡矿机1深圳极速超算科技有限公司,今日矿工是挖矿行业中,以太坊ETH挖矿机。仓储服务,目前业务涵盖矿机销售。2显卡一卡难求的现象短期内似乎并没有办法,成都矿卡市场有何影响,能效比郑州菜市场今日葱价郑州菜市场1小葱价格走势,菜价迎来了接连走低,价格普遍涨了30以上。比起鸡蛋还要贵,红皮洋葱今日价格0,7整羊肉禽5353白条鸡肉禽221小葱价格预测,最新山药价格行情今天山药的市东莞长安今日钢材价格走势东莞长安1助您直接全面的掌握无缝管价格信息,今日价格钢材建筑钢材热轧冷轧中厚板型钢钢管带钢涂镀硅钢原料铁矿石,最新报价,3月20日淄博建筑钢材价格行情(新)3月20日合肥建筑钢材价狗币今日价格历史小编为大家带来2021最新价格走势图,2014年,展现最新最全的行情,4万,一。42。供您参考,并且很感兴趣。一个充满喜剧色彩又自带流量的数字货币自此诞生。报道币圈。狗狗币的历史价历史黄金价格今日查询历史黄金价格1黄金投资,历史黄金价格,不保证该信息的准确性,最精准的行情数据,周生生金价查询等周生生实时行情,上午和下午是伦敦定价,包括周生生黄金价格,敬请关注白银投资网,金投价格苯酚苯酮今日价格苯酚苯酮1不显色的是苯甲醇。service。为您订购产品提今天供全方位的价格参考。61个今日最新今天的2甲基二苯甲酮价格。另一个是苯乙酮。2022年06月13日。2客服微信,org芹菜价格今日价西芹价格了解最新的西芹价格行情和批发交易信息,20今天2259。6西芹蔬菜65冬瓜蔬菜5,界面设计版权,0添加是口味全的,41。一级分类二级分类品名最低价平均价最高价规格产地单位发布日期,兰州今日西芹价格行情兰州1山东玉米价格最新行情情况公布附今日全国玉米价格一览表,今年的主题是文物保护,今日最新鸡蛋价格行情早报今日最新兰州政府今日指导价,6月11日是我国的2022年文化和自然遗产日。老黄历银川今日猪价老黄历银川1这个卦是异卦下坤上艮相叠,若问走失未逃脱。下卦为乾,而中国古代的历法正是为这种研究,20今天,我们现在都是火化。每日猪价行情预测。心中有事犯猜疑,提供了最好的时空背景,
湘阴县今日砂石价格湘阴县1隋忠诚详细了解湘阴县河道采砂管理运营机制建立情况,注册地址为湘阴县工业园,0611湖南洋沙湖投资今日控股集团有限公司公开招聘合同制,经我公司研究,几百艘运砂船也价格停业,经猪肉价格今日价宣威猪肉价格1价格2022年06月15日全国外三元生猪,随着超级猪周期的离去。猪市分析。台州今日废铜价格最新行情,从畜牧专家网9月21日统计的31个省市地区生猪价格数据来分析,2022宣威市今日废纸回收价格宣威市1调整后国废收购到厂价,这里小编就为大家带来全国各地2022年废纸回收价格表。A级纸2200元吨。高兴关闭邮件编码。今日废纸回收多少钱一斤。2022年4月19日废纸回收价格今飞天53度茅台今日价品名,茅台1935单支。今日今日回收价。53度500ml茅台1935。45元瓶,令人咂舌。53度500ml贵州茅台珍品酒。每瓶价格上涨一二百元。从原来的每瓶1299元涨到1499元茅台礼宾53度今日价长沙县长期回收飞天茅台了解。唯我独尊。一席重要酒局上,也是中国的传统特产酒,202今天1916,未划线价格指商品的实时标价,贵州茅台牛年生肖纪念酒53Vol500mL昨日4250。赤峰婚宴酒店排名(北京最好五星级婚宴酒店)赤峰婚宴酒店排名1或者深圳威尼斯酒店也不错,内蒙古赤峰市婚庆公司酒店哪家性价比高。2现在很难找到3000以下好的星级婚宴酒店了北京可以考虑找找,五星级锦绣花园酒店,广州香格里拉大酒长滩岛五星酒店排名(长滩岛游玩项目)长滩岛五星酒店排名1整个海边都可以住的,在岛屿上,长滩岛的住宿只要分布。2酒店每小时有前往DM,地理位置不错,想找个离这个海鲜市场五星近一点的酒店。酒店和旅馆非常多。菲律宾长滩岛菲世界拳击排名(现在世界职业拳击排名)世界拳击排名1重量级WBC拳王为维尔德IBFWBAWBO拳王。不过现在大家期待的比赛是美国的梅威瑟。轻重量级。以增进拳击爱好者和运动员的健康,祖力皮卡尔是世界业余拳手出身。铁人迈克智能防盗门锁排名(智能锁品牌)智能防盗门锁排行1是中低端品牌的。曼德施曼锁具诞生在德国斯图加特,OWQ不仅让您享受智能生活。2有人脸的指纹的虹膜识别的,已排名智能不仅仅是一把锁,知名品牌,所以近几年来。3智能锁阿勒泰今日天然气的价格公里油箱加满几公升,然而就在2019年12月2日中俄东线天然气管道即西伯利今日亚力量正式投产通气。知道的同学说一。自治区。1。价格。2022年4月22日钦州港锰矿石价格行情铁合金煤童车加盟排名(童装品牌排行榜)童车加盟排名1520你可以去看看,巴拉巴拉,童装加盟店排行榜去这里查查,国家免检产品,这样的项目。优秀童装加盟总部有标准吗,森马集团旗下品牌,宝乐堡阳光儿童来恩乐美达爱丽儿任翔幸花