Chemici vytvářejí zakázané sloučeniny

Exotické varianty solného roztoku odporují pravidlům učebnice a revolucionizují chemii

NaCl3 - opravdu „nemožná“ varianta KOchsalz. Barvy symbolizují lokalizaci elektronů. © Artem Oganov / Stony Brook University
číst nahlas

Podle učebnice chemie tyto sloučeniny pravděpodobně neexistují: vědci vytvořili varianty vysokotlakého a tepelného solného roztoku, ve kterých je každý atom sodíku spojen se dvěma nebo více atomy chloru. To však porušuje pravidlo, že každá složka usiluje o úplný vnější obal elektronů. Vytvoření takových „zakázaných“ sloučenin by vyvolalo revoluci v chemii, říkají vědci v časopise „Science“. Toto je pouze začátek objevu zcela nových spojení.

Obecná sůl s chemickým názvem chlorid sodný (NaCl) je jednou z nejznámějších, nejstudovanějších a nejstabilnějších sloučenin. Jeho chemické složení je velmi jednoduché: jeden atom sodíku (Na) a jeden atom chloru (Cl) tvoří krychlovou solnou mříž. To platí alespoň za normálních podmínek tlaku a teploty. Pravidla klasické chemie zakazují jiné sloučeniny těchto dvou chemických prvků.

Protože oktetové pravidlo uvádí, že všechny chemické prvky usilují o stav vzácných plynů. Každý z nich má ve své vnější skořápce osm elektronů, což je zcela naplněno. Sodík má pro uzavřený vnější plášť příliš mnoho jediného atomu, zatímco chloru chybí přesně jeden. Když se oba zkombinují, sodík uvolní svůj přebytečný elektron do chloru, takže oba atomy dosáhnou uzavřené vnější skořepiny s osmi elektrony. To vytváří silnou iontovou vazbu.

Porušení pravidla osmičky

V extrémních podmínkách to však vypadá jinak, jak již poznamenal mezinárodní tým vědců. Stlačili a zahřívali obyčejnou sůl při více než 200 000násobném atmosférickém tlaku, buď do komory pro vzorek přidali další dávku sodíku nebo chloru. Ve světle rentgenového zdroje PETRA III v německém Electron Synchrotron DESY v Hamburku vědci pozorovali výsledek.

„Na základě teoretických předpovědí jsme vzorky laserem chvíli zahřívali pod tlakem, “ vysvětluje výzkumnice DESY Zuzana Konôpková. Oganovův tým předtím počítal, že za těchto extrémních podmínek se mohou tvořit exotická spojení a pak zůstat stabilní, dokud extrémní podmínky přetrvávají. „Předpovídali jsme a vytvořili bláznivé sloučeniny, které porušují pravidla učebnice: NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl a Na3Cl, “ říká vedoucí autor Weiwei Zhang z DESY. zobrazit

Zejména sloučeniny Na3Cl a NaCl3 byly snadno vyrobitelné. „Tyto sloučeniny jsou termodynamicky stabilní a zůstanou tak generovány, “ zdůrazňuje Zhang. „Klasická chemie zakazuje její existenci. Klasická chemie také říká, že atomy se snaží vyhovět oktetovému pravidlu - prvky berou nebo dávají elektrony k dosažení elektronové konfigurace dalšího ušlechtilého plynu, s plně obsazeným vnějším elektronovým obalem. což ji činí velmi stabilní. Tady toto pravidlo není splněno. “

Takto vypadá konvenční slaný krystal: NaCl - sodík a chlorid se vždy střídají. public domain

Revoluce v chemii

Autoři zdůrazňují, že experimenty mohou rozšířit pohled na chemii. „Myslím, že tato práce je začátkem revoluce v chemii, “ přesvědčen Oganov. „I při srovnatelně nízkých tlacích, kterých lze v laboratoři dosáhnout, jsme našli dokonale stabilní sloučeniny, které odporují klasickým pravidlům chemie. I při relativně mírném tlaku 200 000 atmosfér - ve středu Země je tlak 3, 6 milionu atmosfér - hodně z toho, co víme z učebnic chemie, ztrácí jeho platnost. “

Jedním z důvodů překvapivého objevu je, že učebnicová chemie se obvykle vztahuje na tzv. Normální podmínky. „Tady na zemském povrchu mohou být tyto podmínky normální, “ říká Kon pkov . „Ale když se podíváte na vesmír jako celek, jsou zcela zvláštní.“ Co je „zakázáno“ za normálních pozemských podmínek je možné za extrémních podmínek. „Nemožné“ ve skutečnosti znamená, že energie je vysoká, “říká Oganov. "Pravidla chemie nejsou jako matematické věty, které nelze porušit." Pravidla chemie mohou být porušena, protože „nemožné“ je nemožné. Musíte jen najít podmínky, za kterých se energetická bilance mění, a pak se pravidla již nepoužijí. “

Možné nové aplikace

Kromě jeho základního významu může objev také vést k novým aplikacím. „Změna teoretického základu chemie je velká věc, “ říká Goncharov. „Znamená to však, že dokážeme vyrobit nové materiály s exotickými vlastnostmi.“ Mezi sloučeniny, které skupina vytvořila kolem Oganov, patří například dvourozměrné kovy, ve kterých proud proudí podél strukturálních vrstev.,

„Jeden z těchto materiálů - Na3Cl - má fascinující strukturu, “ uvádí Oganov. "Skládá se z vrstev NaCl a vrstev čistého sodíku." Vrstvy NaCl působí jako izolátory, čisté vrstvy sodíku vedou proud. Systémy s dvojrozměrnou elektrickou vodivostí vyvolaly velký zájem. “

Experimenty sůl-sůl mohou být jen začátkem objevu zcela nových sloučenin. "Pokud je tento jednoduchý systém schopen proměnit se v tak rozmanitou sadu spojení pod tlakem, je pravděpodobné, že tak učiní pro ostatní, " říká Goncharov. „To by mohlo pomoci odpovědět na otevřené otázky týkající se mladých planetových jader, ale také vytvořit nové materiály pro praktické použití.“ (Science, 2013; doi: 10.1126 / science.1244989)

(Německý elektronový synchrotron DESY, 20.12.2013 - NPO)