从网络视角研究电负性：新指标揭示元素化学奥秘

研究人员构建基于电负性标度的有向网络，定义比较吸引力（CA）指标，发现其与电负性相关，可用于预测化合物等。

　　在化学的奇妙世界里，电负性就像一个神秘的 “魔法棒”，决定着元素间相互作用的方式，与元素的物理和化学性质紧密相连。自 1811 年贝托莱（Berzelius）提出电负性概念以来，它的定义、计算以及不同 “标度” 的选择，一直是化学领域激烈争论的焦点。随着科学技术的发展，进入 21 世纪后，网络思维逐渐渗透到化学研究中。以往，研究人员构建的无向化学网络，虽将化学元素视为由化学键连接的系统，但无法体现诸如键极性和电负性等重要性质，这就好比一幅地图缺少了关键的标注，难以完整呈现元素间的关系。

为了弥补这一缺陷，来自常州工学院电气与信息工程学院以及上海理工大学商学院的研究人员郭勇?毛（Guoyong Mao）、润展?刘（Runzhan Liu）和宁?张（Ning Zhang）开展了一项别具一格的研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为电负性的研究开辟了新的道路。

研究人员主要采用了网络构建和数据分析的关键技术方法。首先，他们以之前研究中的无向网络为基础，根据 5 种电负性标度（Nagle 标度 χ_α、Allred–Rochow 标度 χ_ar、Pauling 标度 χ_p、Allen 标度 χ_s和 Rahm 标度 χ_r）构建了 5 个有向网络。在构建过程中，将元素视为网络节点，根据元素在二元化合物中的共现情况确定边，并依据电负性差异确定边的方向。随后，通过对这些有向网络中节点的入度（indegree）和出度（outdegree）进行分析，定义了一个新指标 —— 比较吸引力（Comparative Attractiveness，CA），并深入探究 CA 与电负性之间的关系。

有向网络的构建

研究人员构建的网络包含 97 种元素，但排除了 He、Ne、Ar 以及原子序数大于 100 的元素，因为含这些元素的二元化合物极为罕见。在这个网络里，节点代表元素，边则依据元素在二元化合物中的共现情况来确定，且不考虑元素的化学计量比，这样做是为了简化网络，同时化学计量比对边方向的确定并无影响。研究人员依据元素电负性来确定边的方向：若两种元素电负性相等，则它们之间有且仅有两条方向相反的有向边；若元素 B 的电负性大于元素 A，则仅有一条从 A 指向 B 的有向边。最终，构建出了包含 92 个节点和 2107 条有向边的有向网络（部分元素因在 Pauling 标度中无法获取电负性而未被纳入）。通过分析各网络中入度和出度最大的前 5 个元素发现，入度最大的元素，其原子吸引成键电子的能力最强，而出度最大的元素，其原子并非最容易失去成键电子。此外，将元素的入度和出度映射到二维空间后发现，周期表中位置相近的元素，在该坐标系中的位置也相近，这表明元素入度和出度的组合与化学性质相关。

CA 与电负性的关系

基于对有向网络中节点吸引和被吸引能力的观察，研究人员定义了 CA 指标，其计算公式为 CA (E)=indegree (E)/outdegree (E) 。由于不同网络的节点数量存在差异，为避免样本量差异带来的误差，研究人员选取了 5 个网络中共同的 63 种元素进行分析。通过绘制这 63 种元素在 5 个网络中 CA 和电负性随原子序数变化的趋势图发现，CA 和电负性相关，且具有相同的周期性变化规律。利用 Pearson 指数计算二者的相关系数，结果显示，尽管所有元素的最小相关系数仅为 0.708，但按元素类别分类后，最小相关系数达到 0.807，表明不同类别元素的 CA 与电负性高度相关。进一步分析 CA 和电负性的单调一致性发现，在 5 个网络中，5 种碱金属和 5 种碱土金属的 CA 和电负性均呈现单调一致性；在非金属元素（除仅含元素 B 的列）以及大部分过渡金属列中，也存在这种一致性。综合来看，5 个网络中 CA 和电负性的一致性普遍存在。同时，研究还发现不同网络的 CA 之间也存在显著相关性，这说明无论基于哪种电负性计算 CA，其本质是一致的，都能反映元素得失电子能力的相对大小。

讨论与应用

CA 与电负性的紧密关系表明，CA 可被视为元素的一种内在化学性质。这一结论意义重大，从网络视角得到的结果能够以更简便的方式解决传统化学问题。在预测潜在化合物方面，传统方法依赖实验，成本高且耗时久。以 C 元素的 CA 为例，在 5 个网络中，有 3 个网络显示 C 的 CA 值不符合一致性要求，这意味着其 CA 值需要更新。依据 CA 值的变化范围，研究人员可以有针对性地在文献中搜索潜在的边，寻找与 C 元素可能形成连接的元素，如发现了 C-Au 和 C-Cu 等目前网络中尚未包含的边，验证了该预测方法的可靠性。此外，该方法还可用于校准电负性标度。比如在 Rahm 标度中，H 和 S 的电负性均为 13.6，这无法解释 H₂S 中 S-H 键的极性。而从 CA 的角度来看，S 的 CA 值大于 H，表明 S 的电负性应高于 H，这为修正电负性标度提供了参考。

研究人员定义的 CA 指标，利用有向网络中的入度和出度来表示元素的比较吸引力。通过 CA 与电负性的相关性和单调一致性分析，证实 CA 可被看作元素的内在化学性质。CA 源于有向网络，受网络中所有元素的影响，与传统电负性标度不同，它能解决传统电负性无法处理的问题，如预测潜在化合物和校准电负性标度等。尽管研究中收集的化合物数据有限，但结果依然合理。未来，研究人员计划聚焦于三元网络、四元网络及更高阶网络，获取二元官能团、三元官能团及更高阶官能团的 CA 值，有望利用该网络平台解决更多传统方法难以攻克的难题。这项研究为化学领域的研究提供了新的视角和有力工具，让我们对元素的化学性质有了更深入的理解，也为后续化学研究的发展奠定了坚实基础。