北京
虽然我们了解化学反应背后的理论，但科学家发现，通过实验测量共价性相当困难。
英国曼彻斯特大学的研究人员首次直接观察到了钍-钍键，这在元素周期表的众多重元素中实属罕见。利用一种名为赫什菲尔德原子精修（HAR）的方法，研究人员揭示了钍原子如何共享电子，而这一点此前一直难以证实。
如果你还记得化学课上的内容，就会知道化学键的基础是共价性。每种元素的原子最外层轨道上都有一定数量的电子，当它们与其他元素结合时，会共享这些电子，从而在不实际失去或获得电子的情况下，达到稳定的满八隅体状态。
这就是化学反应背后的理论，但科学家发现，用实验测量共价性相当困难。困难并不在于测量共价性本身，而在于找到一种在所有情况下都能可靠应用的方法。一种直接的方法是X射线电荷密度分析，它可以描绘出电子在材料中的位置。然而，这种方法需要高质量的晶体和严格的条件，限制了它在常规研究中的应用。
什么是HAR？
赫什菲尔德原子精修（HAR）是量子晶体学的一种形式，它将实验X射线数据与理论计算相结合，来确定分子中电子密度的图像。该方法利用量子力学计算得到的非球形电子密度，来精确确定原子的位置。借助X射线衍射数据，原子的位置和位移参数会不断精修，然后迭代直至参数和量子能量收敛。
与传统的电荷密度技术相比，HAR相对更容易应用，但此前却难以用于电子行为更复杂的重元素。
将HAR用于钍元素
由曼彻斯特大学无机化学教授斯蒂芬·利德尔领导的研究团队，利用HAR分析了两个钍团簇。这两个团簇参与成键的电子数目不同。在一个团簇中，单个电子由三个原子共享；而在另一个团簇中，则有两个电子扮演了这个角色。
此图展示了实验二维形变可视化，并证实了多中心锕系-锕系键合。
由于这些原子质量大且彼此靠得很近，电子分布很难分辨，因此这两种情形都堪称极端的测试案例。然而，研究人员通过使用HAR分析电子密度，成功识别出了诸如键临界点等特征。
研究人员发现，测量结果与理论计算相吻合，从而为钍原子之间可以相互键合提供了证据。这些结果还成功展示了两个团簇之间的差异，以及共享电子数目的不同如何改变键合的性质。
由于该方法使研究人员能够利用标准实验数据得到这些结果，这也表明它可以用来研究其他复杂材料中的键合。
“理解电子在这些体系中如何分布非常重要，因为键合上的微小变化会影响材料的行为，包括它们的化学反应活性和物理性质。”利德尔在一份新闻稿中说。“通过提供一种直接测量电子共享的方法，该手段能以更可靠的方式，将实验观察与理论预测联系起来。”
这项研究成果发表在《Chem》期刊上。
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