JACS | 燕山大学田永君团队在突破稀有气体惰性极限研究中取得重要进展

导读

燕山大学高压科学中心田永君团队与国内外研究人员合作，理论预测高压下惰性气体氦(He)和氟气(F2)反应，形成极性共价键He-F，从而产生稳定的He3F2化合物。研究成果以“高压下氦与氟的化学键合”(Chemical Bonding between Helium and Fluorine under Pressure)为题，发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society)。

在化学元素的世界里，氟以“宇宙最强电负性”著称，而氦则是出了名的“化学宅男”，在常压下拒绝与任何元素反应。然而，燕山大学的研究人员却让这对“冰与火”的元素组合在极端条件下发生反应，首次形成了真正的氦化学键(helium bond)，颠覆了传统认知。

研究人员通过理论计算发现，在2TPa的极端高压下，氟原子成功“撬开”了氦的封闭电子壳层，形成由HeF2人字链状结构单元和孤立氦原子组成的He3F2化合物。

3He+F2→ He3F2(即HeF2‧2He)

化学成键分析表明，He3F2中氦的1s电子作为化学键的组成部分，形成新奇的极性共价He-F键：即一个氦原子连接3个氟原子，而每个氟原子连接两个氦原子，氦氟之间存在电荷转移，通过这样的连接方式形成HeF2人字链状结构单元。分子轨道理论分析进一步证明，He-F极性共价键源于高压下氦的1s轨道与氟的2p轨道之间的强相互作用。通常这种键合方式出现在诸如水等分子中，如今却在两个最不可能的元素之间实现了。这一发现不仅刷新了氟化学的反应边界，而且揭示惰性元素在极端环境下蕴藏的未知化学潜能，为探索极端条件下的新物质、新反应提供重要线索。该研究成果获得审稿人高度评价：如，This is an important contribution in the field of noble gas binding，formation of a helium bond under pressure is interesting。又如，This is in contrast to other studies of He-containing high-pressure materials, where the He tends to act as an inert stabilizing spacer…This certainly is very novel chemistry。

本项研究由燕山大学、南开大学和美国北卡罗来纳大学合作完成，论文共同第一作者为燕山大学材料科学与工程学院博士后侯晶钰、理学院博士生王晓珺，通讯作者为燕山大学周向锋教授和南开大学董校教授。研究获得国家自然科学基金(52025026、52288102、52090020、92263101、12174200)等项目支持。

高压下氦与氟之间的化学键合

来源：燕山大学