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。