量子化学与人工智能计算在分子键能中的反应

五、分子中化学键的强弱与分子的化学结构稳定性

空气中氧气和氮气各占20.95%和78.08%。在常温和常压下，我们能否利用这些氧气和氮气合成链状或环状的O₃，O₄，O₅，O₆和N₃，N₄，N₅，N₆等分子？除了O₃(臭氧)之外，其余化学结构五种在常温气相中都是不稳定的，寿命极短，是人们臆想的物种。利用键能数据库^[58]与化学动力学知识，可以推测上面化学结构物种的寿命：

范德华络合物，寿命极短；

络合物，寿命极短；

自由基，相对稳定；

自由基，寿命短；(www.xing528.com)

设想H₂ O可以形成簇合物或氢键合物(H₂ O)n，n= 2，3，4，5，6，7，8，9，10，…。的确，液体水中含有大量这类氢键合物。中性H₂O二聚体之间的(氢)能已经测得^[58]：

人们预测氢键合物的寿命非常短，大约为1～20ps。这就是说，氢键合物的寿命比它们可能的转动周期(～100ps)还短。在微观图像上，这些氢键合物还没有完成一次转动，就离解了。所以，这些氢键合物一定是在离解，聚集，再离解，再聚集，快速互相转化的、极其复杂的动态平衡之中^[59-60]。

多原子分子中含有多个化学键，每个化学键的键能不一定相同，有强弱之分。对于单分子热反应，在通常条件下，分子中的弱键最易断裂，引发出一系列后续的化学反应，最后形成比较强的键，更稳定分子。绝大部分化学反应，都包括“破”弱键、“立”强键的过程。所以，在判断化合物和材料的稳定性时，我们经常需要寻找分子中弱键和最弱键在什么位置。表1给出了一些常见化合物和材料内最弱键键能值变化范围。

表1　一些常见化合物和材料中的最弱键能值变化范围

现实存在的化合物中，化学键能总和一定是正值。它表示该化学键断裂时，需要外界提供能量。键能值越高，表示它们需要吸收越多的能量，才能断裂。反之，键能值越低，表示断裂该键所需要的能量就越少。严格讲，化学键能为负值的化合物，它们只能瞬间存在，寿命极短(纳秒、皮秒、飞秒或更短)，很快转化为另外的分子，不能稳定存在。