Waterstofatomen ingeklemd door fluor vertoonden de eigenaardigheid van chemie
Fluoratomen (geïllustreerd in groen) persen een waterstofatoom (oranje) ertussen, wanneer ze zijn opgelost in water (rood en zilver). Onderzoekers gebruikten infrarood laserlicht (rode lijnen) om de gevormde chemische binding te bestuderen (vertakte blauwe lijnen), die werkt als een hybride tussen een waterstofbrug en een covalente binding.
Scheikundestudenten over de hele wereld zijn bekend met covalente bindingen en waterstofbindingen. Nu heeft een studie een vreemde verscheidenheid aan banden onthuld die werkt als een hybride van de twee. De eigenschappen ervan roepen vragen op hoe chemische bindingen worden gedefinieerd, rapporteren scheikundigen in de 8 januari Wetenschap
Waterstofbindingen worden doorgaans gezien als zwakke elektrische aantrekkingen in plaats van echte chemische bindingen. Covalente bindingen, aan de andere kant, zijn sterke chemische bindingen die atomen binnen een molecuul bij elkaar houden en het resultaat zijn van elektronen die worden gedeeld door atomen. Nu rapporteren onderzoekers dat een ongewoon sterke verscheidenheid aan waterstofbruggen in feite een hybride is, omdat het gedeelde elektronen omvat, waardoor het onderscheid tussen waterstof en covalente banden vervaagt.
“Ons begrip van chemische binding, de manier waarop we het leren, is erg zwart-wit”, zegt chemicus Andrei Tokmakoff van de Universiteit van Chicago. De nieuwe studie laat zien dat “er eigenlijk een continuüm is.”
Tokmakoff en collega’s karakteriseerden de hybride binding door het observeren van groepen atomen genaamd bifluoride-ionen, bestaande uit een enkel waterstofatoom ingeklemd tussen een paar fluoratomen, in water. Volgens conventionele wijsheid is het waterstofatoom gebonden aan het ene fluor door een covalente binding en aan het andere fluor door een waterstofbinding.
De onderzoekers gebruikten infrarood licht om bifluoride-ionen in trilling te brengen en maten de reactie van de waterstofatomen, waarbij een reeks energieniveaus werd onthuld waarop de waterstofatomen trilden. Voor een typische waterstofbrug zou de afstand tussen die energieniveaus afnemen naarmate het atoom verder op de energieladder klom. Maar in plaats daarvan ontdekten de onderzoekers dat de afstand toenam. Dit gedrag gaf aan dat het waterstofatoom gelijkelijk tussen de twee fluoratomen werd verdeeld, in plaats van nauw gebonden te zijn aan één fluoratoom door een covalente binding en losser gebonden door een typische waterstofbinding aan de andere. In die regeling “het verschil tussen de covalente en [hydrogen] band wordt gewist en is niet langer zinvol ”, zegt co-auteur Bogdan Dereka, een chemicus ook aan de Universiteit van Chicago.
Computerberekeningen lieten zien dat dit gedrag afhankelijk is van de afstand tussen de twee fluoratomen. Naarmate de fluoratomen dichter bij elkaar komen en de waterstof ertussen wordt geknepen, wordt de normale waterstofbinding sterker, totdat alle drie de atomen elektronen gaan delen als in een covalente binding, waardoor ze een enkele link vormen die de onderzoekers een waterstof-gemedieerde chemische binding noemen. . Voor fluoratomen die verder van elkaar verwijderd zijn, is de conventionele beschrijving, met verschillende covalente en waterstofbindingen, nog steeds van toepassing.
De waterstof-gemedieerde chemische binding kan niet worden omschreven als een pure waterstofbinding of een pure covalente binding, concluderen de onderzoekers. “Het is echt een hybride van de twee”, zegt chemicus Mischa Bonn van het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz, Duitsland, die mede-auteur was van een perspectief stuk over de studie, ook gepubliceerd in Wetenschap.
Waterstofbruggen komen voor in een verscheidenheid aan stoffen, het meest bekend in water. Zonder waterstofbruggen zou water op kamertemperatuur een gas zijn in plaats van een vloeistof. Hoewel de meeste waterstofbruggen in water zwak zijn, kunnen sterke waterstofbruggen vergelijkbaar met die in de bifluoride-ionen worden gevormd in water dat overtollige waterstofionen bevat. Twee watermoleculen kunnen een waterstofion insluiten, waardoor een zogenaamd Zundel-ion ontstaat, waarbij het waterstofion gelijkelijk wordt verdeeld tussen de twee watermoleculen. De nieuwe resultaten weerspiegelen het gedrag van de Zundel-ion, zegt chemicus Erik Nibbering van het Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy in Berlijn, die co-auteur was van een paper uit 2017 in Wetenschap Aan het Zundel-ion “Het past allemaal mooi.”
Men denkt dat sterke waterstofbruggen een rol spelen bij het transport van waterstofionen, een proces dat cruciaal is voor een verscheidenheid aan biologische mechanismen, waaronder het aandrijven van cellen en voor technologieën zoals brandstofcellen. Een beter begrip van deze banden zou dus licht kunnen werpen op verschillende effecten.
En de nieuwe waarneming heeft implicaties voor hoe wetenschappers de basisprincipes van scheikunde begrijpen. “Het raakt aan ons fundamentele begrip van wat een chemische binding is”, zegt Bonn.
Dat hernieuwde begrip van chemische binding roept ook vragen op over wat kwalificeert als een molecuul. Atomen die zijn verbonden door covalente bindingen worden beschouwd als onderdeel van een enkel molecuul, terwijl atomen die zijn verbonden door waterstofbindingen afzonderlijke entiteiten kunnen blijven. Dus banden in het ongewisse tussen de twee roepen de vraag op: “wanneer ga je van twee moleculen naar één molecuul?” Zegt Tokmakoff.
