محققان نوع جدیدی از پیوند شیمیایی با قدرت بسیار بالا کشف کردند

محققان موفق به کشف نوع کاملاً جدیدی از پیوند شیمیایی شبیه پیوند هیدروژنی موجود در آب شدند که بسیار قوی‌تر است.

پیوند شیمیایی جدید نشان می‌دهد که تمایز قائل شدن بین پیوند کووالانسی و پیوند هیدروژنی ضعیف به سادگی آنچه در کتاب‌های شیمی توضیح داده شده نیست.

پیوندهای شیمایی مختلفی وجود دارند که با به هم متصل کردن اتم ها، مولکول‌ها و ساختارهای کریستالی را تشکیل می‌دهند. پیوند یونی با متصل کردن فلزات و غیرفلزات نمک‌ها را تشکیل می‌دهد. پیوندهای کووالانسی قوی مولکول‌هایی مثل دی اکسید کربن و آب را به یکدیگر پیوند می‌دهند. پیوندهای هیدروژنی ضعیف به خاطر جاذبه الکترواستاتیک بین هیدروژن و یک مولکول یا اتم با بار منفی شکل می‌گیرند و برای مثال سبب می‌شوند مولکول‌های آب یکدیگر را جذب کرده و یک قطره یا کریستال یخ را تشکیل دهند.

پیوندهای یونی، هیدروژنی و کووالانسی همگی نسبتاً پایدار هستند؛ آنها مدت زمان طولانی داوم دارند و تأثیرات آنها به آسانی قابل مشاهده است. محققان مدت هاست می‌دانند که در یک واکنش شیمیایی حین شکل گیری یا شکستن پیوندهای شیمیایی اتفاقات پیچیده تری رخ داده و شامل «وضعیت‌های میانی» (intermediate states) می‌شود که احتمالا تنها در کسری از ثانیه اتفاق افتاده و مشاهده آنها مشکل است.

محققان در تحقیق جدید توانستند مدت زمان رخ دادن وضعیت‌های میانی را به حدی برسانند که بتوان آنها را با جزئیات مطالعه کرد. چیزی که آنها مشاهده کردند یک پیوند هیدروژنی با قدرت یک پیوند کووالانسی بود که با متصل کردن اتم‌ها به یکدیگر آنها را شبیه مولکول می‌کرد.

محققان برای انجام این کار ترکیب شیمیایی هیدروژن فلورید را در آب قرار داده و تعامل هیدروژن با اتم‌های فلورین را مشاهده کردند. اتم‌های فلورین به خاطر عدم توازن بارهای مثبت و منفی سطح خود به اتم‌های هیدروژن جذب شدند. هر اتم هیدروژن بین دو اتم فلورین ساندویچ می‌شد اما این ساندویچ‌ها با پیوند قوی تری نسبت به پیوندهای هیدروژنی معمول که به سادگی شکسته می‌شوند به هم وصل شده بودند.

اتم‌های هیدروژن بین اتم‌های فلورین بالا و پایین پریده و پیوندهایی قوی در حد پیوند کووالانسی تشکیل داده و شبیه مولکول‌هایی شده بودند که پیوند هیدروژنی قادر به تشکیل آنها نبود. البته مکانیزم پیوند جدید الکترواستاتیک بود، یعنی شامل اختلاف در بارهای مثبت و منفی می‌شد که در پیوندهای هیدروژنی دیده می‌شود.

پیوند جدید قدرتی برابر با ۴۵.۸ کیلوکالری بر مول (kcal/mol) داشت که بیشتر از برخی پیوندهای کووالانسی است. برای مثال مولکول‌های نیتروژن از به هم پیوستن دو اتم نیتروژن با قدرتی در حدود ۴۰ کیلو کالری بر مول تشکیل شده‌اند. انرژی یک پیوند هیدروژنی معمولاً در حد ۱ الی ۳ کیلو کالری بر مول است.

محققان مرکز تحقیقات پلیمر مؤسسه ماکس پلانک آلمان که نقشی در این تحقیق نداشته‌اند، در مورد کشف این پیوند عجیب می‌گویند: «وجود یک پیوند هیبریدی کووالانسی-هیدروژنی نه تنها آگاهی کنونی ما در مورد پیوند شیمایی را به چالش می‌کشد، بلکه فرصتی برای درک بهتر واکنش‌های شیمیایی در اختیار ما قرار می‌دهد؛ جایی که وضعیت‌های واکنش میانی اغلب رخ می‌دهند ولی فرصت مطالعه مستقیم آنها وجود ندارد.»

به گفته محققان چنین پیوندی احتمالاً در آب خالص نیز وجود داشته و در طی آن اتم هیدروژن بین دو مولکول آب ساندویچ می‌شود. البته محققان اضافه می‌کنند که این پیوند احتمالاً طولانی مدت نیست و تاکنون نیز مشاهده نشده است. به گفته آنها این تحقیق می‌تواند پنجره جدیدی به سوی درک عمیق‌تر پیوند‌های قوی و وضعیت‌های واکنش میانی (intermediate reaction states) باز کند.

یافته‌های این تحقیق در ژورنال Science منتشر شده است.