你见过最神奇的化学物质是什么？ 第1页

emmmm我来说一个，这个可能并不叫化学物质，而应该叫元素，就是钯这种元素。

它有什么特殊的呢？

我们知道，在元素周期表中，每一个周期的元素，都拥有与其周期数相等的电子层数。

比如说氢是第一周期的元素，它就有一层电子，氡是第六周期的元素，那么它有六层电子。

所有元素都是这样，除了它！这个特立独行的钯元素！

它是第五周期元素，但是它只有四层电子！

为什么会这样呢，这就要从电子轨道说起了，相信上过高中化学的同学们都知道，第三周期之后（除去镧系和锕系）电子填充的顺序，都是先在最外层电子层上的s轨道中填充两个电子，然后再在次一层的d轨道上依次填充10个电子，最后再在最外层的p轨道上填充6个电子，这样的话，会使得电子层数严格按照周期数排列。

但是钯元素非常特殊，当次一层（也就是第四层）的d轨道填充到8个电子时，神奇的事情发生了，最外层（也就是第五层）的s轨道上的两个电子居然越俎代庖，自降身价，填充到了d轨道上剩余的两个空位上（这样做是为了使能量最低化，从而使元素更加稳定），所以导致钯元素本应拥有的第五层电子消失不见了。不过它之后的银元素就还是按部就班先s后d了。

嗯，这就是元素周期表中最特殊的元素，钯。

我也来凑个热闹。

比如， @成楚旸 老板做的分子机器，就是很好玩的东西：[干货] 2016年诺贝尔化学奖 - 分子机器究竟是什么？

再比如，我之前因为偶尔撞见一个问题，查到了一个「理论上预测存在」的分子：有没有可能存在 C5H4 这样的物质？
大家注意看一下 @龙草 和 @丁鹏辉 补充的文献

再比如，除了足球烯（C60）之外，还有哪些好玩的像足球一样的分子？ @猫立刻 @Morita Michinori

那个问题我没有来得及回答，正好在这儿一并回答了。像足球的分子，一种是非碳元素，组成足球的形状，比如Money和猫立刻说到的分子。最近，山大的 Zhi Wang et al. （2017）还合成了一个银-180，是由金属原子构成的足球状分子，也是挺厉害的。

另一类，则是足球烯套足球烯，还是碳的同素异形体。2016 年，TAMU 的 Debojit Bhattacharya （2016）等人搞怪，用 60 个足球烯黏成了一个超级足球烯（足球烯又被戏称为 buckyball）。

至于那组被很多人玩烂了的有机小人，我就不多说了。

好，上面说的是形状比较好玩的分子。下面，我要说一系列在研究分子结构中还是挺重要的「奇怪分子」，它们中间存在比常规的化学键要弱，但是又比范德华力要强的键，可以称之为「弱化学键」。

比如，其中经典的一类，是通过质子的离域键来结合的。例子有 和 。但他们俩又不太一样。

前者是极性的。 结合紧密，而另一侧的 则偏安一隅。但是 中质子距离 中心只有 1.744 Å，显然比普通的范德华作用力要短（~3 Å），而比正常的化学键又要长。这根键的键能是 1443 cm-1，即 17.3 kJ/mol，和氢键在一个级别上。

而 却不一样：它是非极性的，这个质子稳居两个氮气分子中间。其实 是非常常见的星际分子，用来追踪分子云中的氮气，结合是非常紧密的。但是当另一个 靠近的时候，原来的 和 之间的距离就被拉远了，从原本的 1.032 Å（Szanto et al. 1998），被拉长到了 1.277 Å（Yu et al. 2015）。而且 的解离能可达 6139 cm-1，即 73.6 kJ/mol，可以说是已经很像普通的化学键了。

当然，质子因为带着正电荷，本身在成键上就有加成光环。还有一类以氧原子为核心的分子，就更加好玩了——它们都是电中性的自由基： 。它们实际上，都是由一个羟基自由基 和对应的双原子分子组成的。这些四原子自由基中间的那根化学键，都格外长。 中的 键有 1.688 Å， 中的 键有 1.657 Å，而 中的 键，则达到惊人的 1.915 Å：这是迄今为止人类观察到的最长的 单键！

这些分子奇异的结构，为我们拓展对化学键的认识提供了宝贵的案例。虽然化学键的概念提出可能有近百年了，从中学课本里就开始讲，但实际上，仍然有尚未搞清楚的地方。就比如说上面这些分子，要想纯粹通过理论，从头计算出它们的准确结构，可并不容易，得花一番功夫呢。

这类分子不仅仅在化学键理论上有重要的地位，而且：可能就在我们身边。像 HOOO, HOON 等自由基，是大气中羟基自由基 OH 的存储池，会参与到大气中的氧循环中。当然，早年大家觉得 HOOO 会抓住很多 OH，但是后来实验发现 HOOO 的键能太低了，因此它在 OH 循环中的参与度其实并不那么高。

以上，是我要说这些分子的理由吗？

并不是。真实的原因是，HOOO 的毫米波光谱，是我测的。嗯。

参考文献：

Wang, Z. et al. Assembly of silver Trigons into a buckyball-like Ag180 nanocage. Proc. Natl Acad. Sci., USA 114, 12132 (2017)

Debojit Bhattacharya et al. The astounding buckyball buckyball. Chem. Phys. Lett., 647, 185 (2016)

Bieske et al. The infrared spectrum of the H2–HCO+ complex. J. Chem. Phys., 102, 5152 (1995)

Szanto et al. A microwave substitution structure for protonated nitrogen N2H+. J. Chem. Phys., 75, 4261 (1981)

Yu et al. Structure, Anharmonic Vibrational Frequencies, and Intensities of NNHNN+. J. Phys. Chem. A, 119, 11623 (2015)

McCarthy et al. Spectroscopic Detection and Structure of Hydroxidooxidosulfur (HOSO) Radical, An Important Intermediate in the Chemistry of Sulfur-Bearing Compounds. J. Chem. Phys. Lett., 4, 4074 (2013)

Suma et al. The Rotational Spectrum and Structure of the HOOO Radical. Science, 308, 1885 (2005)

Crabtree et al. Detection and Structure of HOON: Microwave Spectroscopy Reveals an O–O Bond Exceeding 1.9 Å. Science, 342, 1354 (2013)

Zou et al. Weakly Bound Clusters in Astrochemistry? Millimeter and Submillimeter Spectroscopy of trans-HO3 and Comparison to Astronomical Observations. J. Phys. Chem. A, 120, 657 (2016)