来自俄罗斯乌拉尔联邦大学斯科尔科沃科技学院和俄罗斯科学院米赫耶夫金属物理研究所的研究人员对材料化学键的重要特性，即原子电荷和化学键能分为离子和共价贡献，提供了基本的理论描述。
这篇研究论文为基于电负性概念的传统图景提供了令人信服的基础。尽管如此，这项研究还发现了一个异常且违反直觉的案例：半导体磷化硼。研究结果发表在《化学物理学杂志》上。
自 20 世纪初以来，科学家一直试图用化学键来解释分子和晶体的性质。化学键是指原子之间由于其价电子的一些潜在行为而产生的吸引相互作用。
人们发现了各种类型的键。例如，在共价键中，两个原子共享一个电子对，将它们结合在一起。可以有两个以上的原子共享，当涉及很多原子时，这种键称为金属键。
相反的情况是两个原子之间共享两个或多个电子对，这也是众所周知的。共享电子对也可能向吸引力更强的原子移动，以至于形成两个带相反电荷的离子，它们通过离子键结合在一起——这是极性共价键的极端情况。
“想象一下将材料中的原子结合在一起的键。该键的共价性或离子性，以及原子的电荷，将影响材料的大部分特性，”研究报告的共同作者、斯科尔科沃理工学院材料发现实验室负责人、杰出教授 Artem R. Oganov 说道。
“问题在于，在过去的一个世纪里，人们提出了太多定义原子电荷的方法，以至于对于我们所谈论的内容和实际数值是什么，人们并没有达成一致的意见。”
一些方法根据可观察的材料特性来定义原子电荷，例如打破键所需的能量。其他方法则依赖于对原子体积上的电子密度分布进行积分的数学运算，后者也没有明确的定义。
还有一些方法与波函数有关——基本但不可观测的量子力学对象。在这里，也有多种方法可以分析波函数。
奥加诺夫说：“我们的方法主要由著名凝聚态物理学家弗拉基米尔·阿尼西莫夫创造，该方法采用所谓瓦尼尔函数的形式数学描述，以原子级波函数来代替晶体或分子中的电子轨道。”
“该方法允许以非经验的方式确定原子电荷和键共价性与离子性的程度。这一发现与化学家的一般直觉非常吻合，但从磷化硼 (BP) 晶体中提取的原子电荷却出乎意料地&luo;反转&ruo;了。”
类似现象已知发生在由一个氧原子和一个碳原子组成的一氧化碳 (CO) 分子中。由于氧的电负性较高，因此可以预期氧对共享电子对的吸引力更强，导致氧带负电荷，碳带正电荷。
事实上，情况恰恰相反。这种情况类似于磷化硼的情况：尽管磷的电负性高于硼，但后者最终还是带负电荷。为什么会发生这种情况?
在这两种情况下，解释都是原子似乎忍受了能量上不利的步骤，其最终的权衡是确保更强的共价键，从而使整个举动在能量上值得。
在一氧化碳中，电荷反转使氧和碳之间形成非常强的三键。如果不是因为“较少的能量牺牲”，那么只有双键才是可行的。
类似地，通过将磷的一个电子捐献给硼，这两个原子实际上各自拥有四个价电子，从而与晶体结构中的相邻原子形成四个共价键。否则，硼和磷每个原子都只能享有三个键，这最终在能量上不太有利。
有趣的是，20 年前，人们就预测过硼磷中会发生这种电荷反转，即所谓的 Born 动态电荷。虽然这些电荷在物理上非常不同，但硼磷系统似乎明显存在“倒退”现象。
研究人员提出的方法具有通用性，因此将能够更好地理解各种化合物中化学键的性质。研究人员提出了一种确定材料中原子电荷的新方法
作者：Nicolas Posunko， 斯科尔科沃科学技术研究所
在磷化硼晶体中，每个原子与四个相邻原子结合。如果没有电荷反转，每个原子只能形成三个键。该研究的作者创建的新理论模型可以解释这种电荷反转。图片来源：由 Deep Dream Generator AI 引擎生成
来自俄罗斯乌拉尔联邦大学斯科尔科沃科技学院和俄罗斯科学院米赫耶夫金属物理研究所的研究人员对材料化学键的重要特性，即原子电荷和化学键能分为离子和共价贡献，提供了基本的理论描述。
这篇研究论文为基于电负性概念的传统图景提供了令人信服的基础。尽管如此，这项研究还发现了一个异常且违反直觉的案例：半导体磷化硼。研究结果发表在《化学物理学杂志》上。
自 20 世纪初以来，科学家一直试图用化学键来解释分子和晶体的性质。化学键是指原子之间由于其价电子的一些潜在行为而产生的吸引相互作用。
人们发现了各种类型的键。例如，在共价键中，两个原子共享一个电子对，将它们结合在一起。可以有两个以上的原子共享，当涉及很多原子时，这种键称为金属键。
相反的情况是两个原子之间共享两个或多个电子对，这也是众所周知的。共享电子对也可能向吸引力更强的原子移动，以至于形成两个带相反电荷的离子，它们通过离子键结合在一起——这是极性共价键的极端情况。
“想象一下将材料中的原子结合在一起的键。该键的共价性或离子性，以及原子的电荷，将影响材料的大部分特性，”研究报告的共同作者、斯科尔科沃理工学院材料发现实验室负责人、杰出教授 Artem R. Oganov 说道。
“问题在于，在过去的一个世纪里，人们提出了太多定义原子电荷的方法，以至于对于我们所谈论的内容和实际数值是什么，人们并没有达成一致的意见。”
一些方法根据可观察的材料特性来定义原子电荷，例如打破键所需的能量。其他方法则依赖于对原子体积上的电子密度分布进行积分的数学运算，后者也没有明确的定义。
还有一些方法与波函数有关——基本但不可观测的量子力学对象。在这里，也有多种方法可以分析波函数。
奥加诺夫说：“我们的方法主要由著名凝聚态物理学家弗拉基米尔·阿尼西莫夫创造，该方法采用所谓瓦尼尔函数的形式数学描述，以原子级波函数来代替晶体或分子中的电子轨道。”
“该方法允许以非经验的方式确定原子电荷和键共价性与离子性的程度。这一发现与化学家的一般直觉非常吻合，但从磷化硼 (BP) 晶体中提取的原子电荷却出乎意料地&luo;反转&ruo;了。”
类似现象已知发生在由一个氧原子和一个碳原子组成的一氧化碳 (CO) 分子中。由于氧的电负性较高，因此可以预期氧对共享电子对的吸引力更强，导致氧带负电荷，碳带正电荷。
事实上，情况恰恰相反。这种情况类似于磷化硼的情况：尽管磷的电负性高于硼，但后者最终还是带负电荷。为什么会发生这种情况?
在这两种情况下，解释都是原子似乎忍受了能量上不利的步骤，其最终的权衡是确保更强的共价键，从而使整个举动在能量上值得。
在一氧化碳中，电荷反转使氧和碳之间形成非常强的三键。如果不是因为“较少的能量牺牲”，那么只有双键才是可行的。
类似地，通过将磷的一个电子捐献给硼，这两个原子实际上各自拥有四个价电子，从而与晶体结构中的相邻原子形成四个共价键。否则，硼和磷每个原子都只能享有三个键，这最终在能量上不太有利。
有趣的是，20 年前，人们就预测过硼磷中会发生这种电荷反转，即所谓的 Born 动态电荷。虽然这些电荷在物理上非常不同，但硼磷系统似乎明显存在“倒退”现象。
研究人员提出的方法具有通用性，因此将能够更好地理解各种化合物中化学键的性质。
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