粘在一起:再来看化学键和成键

化学键的形成和断裂是化学反应的核心。原子之间形成键的能力使得分子得以形成。正是这种化学键的形成和断裂是化学家们在实验室里努力掌握的，因为控制化学键的创新新方法使制造新化合物成为可能，这些化合物可能是未来制药和高科技材料的关键。麦克马斯特大学的大卫·布朗教授一直在开发新的模型来帮助我们学习化学结构和化学键的技巧。

原子是具有复杂生命的复杂物体。原子有三部分:质子、中子和电子。对化学家来说，中子通常是这些元素中最无趣的——它们是化学世界中最孤独的东西。它们给原子增加了大量的质量，但很少与其他任何东西发生相互作用。同样重的质子和非常轻的超活跃的电子就不是这样了。质子与中子质量相同，但由于它们带正电荷，它们会吸收任何带相反电荷的物质，或强烈排斥其他带正电荷的物质。对于电子来说，它们比原子中的质子和中子移动得快得多，质子带来的积极诱惑很难抵抗，这就是为什么大多数稳定的原子或元素都有质子和电子的完美平衡。

然而，当电子被原子核捕获时，它们就不再作为单独的电子存在了。相反，它们合并在原子核周围形成一团负电荷云，就像空气在地球周围形成大气层一样。然而，当原子开始与其他原子相遇时，奇怪的事情就会发生。具体取决于每个原子有多少质子以及它对周围负电荷的喜爱程度，原子可能开始共享它们的电荷并形成所谓的化学键。多个原子通过共享它们的负电荷结合在一起是形成固体和液体的原因。麦克马斯特大学名誉教授大卫·布朗(David Brown)多年来一直在深入思考的一个问题是，理解一些原子如何以及为什么容易形成化学键，而另一些原子却完全拒绝这样做。

理解成键过程的一种方法是找到计算负电荷云密度的方法，这基本上可以提供一幅原子或分子周围的地图，显示负电荷集中的地方。然而，这依赖于大量的量子力学，特别是在过去的十年里，在寻找模拟这种密度的方法方面取得了巨大的进展，在计算成本、效率和见解方面，很难打败更简单的经典模型。

现代的键价理论是一个简单而有效的工具，允许快速和直观的洞察力。

布朗教授所开发的模型非常简单，只需用笔和纸就可以探索，而无需使用强大的超级计算机。他称之为“现代价键理论”，这是一种简单有效的工具，可以快速直观地洞察化学键的物理特性。

现代键价理论
通常，化学家想知道的是“它们会结合吗?”或者，如果分子的两部分不能粘在一起，我怎么让它们成键?“这意味着要了解哪些原子可能会为了结交新朋友而聚集在一起。”

在布朗教授的现代价键理论中，一个分子只是由一系列原子通过化学键网络粘在一起的产物。每个原子都有一个“配位数”，用来描述原子形成的键数，还有一个“价电子”，用来表示成键时所带的负电荷量。然而，有更多的负电荷并不一定意味着一个原子可以形成更多的键。键的数目取决于原子的大小。负电荷需要足够松散结合的原子不会介意分享它与另一个原子成键,和债券的价描述了原子必须放弃多少电荷形成债券通过分享其消极的电荷与另一个原子。

一个原子用来形成键的价的数量取决于原子形成的键的数量:键的数量越大，它们就越弱。通过将一个原子的价除以它形成化学键的数量，就有可能预测其化学键的强度。这是一种非常重要的物理性质，因为强键很难被打破，并影响化合物的最终性质，如产生更高的熔点和沸点。键的强度也影响溶解度。如果一个化合物的组成原子与水分子的键强度比它们彼此之间的键强度更匹配，那么它就是可溶的。这对于被认为是药物候选者的分子是非常重要的，因为分子必须溶于水才能被人体吸收。

静电通量线
布朗教授用静电通量来描述化学键。这与试图计算出负电荷在一个键是最有可能被发现的地方是不同的，因为通量可以从原子的价特征和它们形成的键的数量，如前面提到的。大的键通量对应于更短和更强的键，对于键长度已被实验测量的分子，通量也可以从键长度计算回来。

通常化学家想知道的是“它们会结合吗”这个问题的答案。

平衡的行为
布朗教授强调的现代价键理论的另一个应用是预测分子结构和形状的能力。有时含有完全相同原子的分子可能有不同的结构。虽然这些额外的结构也可能是稳定的，但通常重要的是分子中最稳定或平衡的形式。

通过Brown教授的模型，平衡结构可以通过找到所有键的通量最接近相等的连接原子的组合来确定。这就产生了最低能量和最可能的分子结构。键通量图不仅描述了“传统的”化学键，还描述了原子之间所有类型的化学键，包括离子键和更奇特的氢键。氢键是一种不寻常的键类型，因为它们之间的相互作用非常长，所以能够相互形成氢键的分子之间会发生长距离的相互作用。虽然3埃的距离对我们来说似乎微不足道，但在分子尺度上却是巨大的，超过标准化学键长度的两倍。氢键系统最著名的例子是水，正是这些不寻常的键的相互作用导致了水有时不直观的行为，比如结冰时膨胀(几乎所有其他液体都会收缩)。

通用模型
现代键价理论的成功很大程度上来自于它的易用性和通用性。布朗教授已经证明该模型适用于无机化合物，这类化合物通常很难用量子模型和旧的经典模型来描述。为了帮助开发和测试这个模型，他还帮助建立了晶体学信息框架(https://www.iucr.org/resources/cif/software)和无机晶体结构数据库，使这些模型可以继续改进和扩展，以供将来使用。