УДИВИТЕЛЬНО, НО ФАКТ! Невозможная химия началась с обычной соли

Школьные учебники по химии нужно переписывать. К такому выводу пришел российский ученый Артем Оганов со своими коллегами, изучая кристаллические структуры из натрия и хлора. С помощью метода USPEX, разработанного Огановым, исследователям удалось синтезировать совершенно невозможные, с точки зрения правил классической химии, соединения натрия и хлора — NaCl3 и NaCl7, Na3Cl, Na3Cl2, Na2Cl. Оказалось, что они не только существуют, но и вполне стабильны при определенных условиях окружающей среды.


А началось все вот с чего. По воспоминаниям самого 39-летнего ученого, химиком он решил стать в 4 года. Очень уж его интересовали те «фокусы» по превращению одних веществ в другие, которые происходили в химических колбах и пробирках. В школе он особенно заинтересовался соединениями натрия. И вот почему.

С одной стороны, химикам хорошо известно, что и натрий, и хлор по отдельности довольно агрессивные элементы, которые охотно вступают в химические реакции с другими элементами. Так, натрий, брошенный в воду, начинает самопроизвольно гореть и очень быстро окисляется на воздухе, его обычно хранят под слоем керосина или в инертной среде.

С другой стороны, в начале школьного курса химии нам рассказывают о том, что связи могут быть ковалентными или ионными, и как пример классической ионной связи приводят хлорид натрия или поваренную соль — NaCl. Один электрон от менее электроотрицательного натрия переходит к более электроотрицательному хлору, тот, согласно «правилу 8 электронов», обретает электронную конфигурацию благородного газа. По всем классическим правилам, NaCl — единственное соединение, которое может существовать в этой системе.

Так написано во всех учебниках.

Но Артем Оганов позволил себе учебникам не поверить. «Подобные истины могут быть верны для так называемых нормальных условий — атмосферного давления, комнатной температуры, — рассказывал он журналистам. — Именно такие условия царят на поверхности Земли, и мы привыкли рассчитывать и проводить химические реакции именно в таком режиме.



Артем Оганов, несмотря на свое профессорское звание, отнюдь не пожилой человек.


Но давайте копнем чуть глубже. В недрах нашей планеты царят огромные давления и высокие температуры. Они еще больше в недрах планет-гигантов, а также Солнца и других звезд. А значит, и химические реакции там могут протекать совершенно иначе».

Как именно? Это российский ученый и его коллеги попытались себе представить, рассчитать с помощью метода предсказания кристаллических структур, разработанного Огановым и известного множеству ученых во всем мире. Артем назвал свой метод USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xrystallography). Так что теперь русское слово «успех» хорошо известно кристаллографам и материаловедам.

Выпускник МГУ, А. Оганов сейчас является профессором Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук. Кроме того, под его руководством работают лаборатории в Швейцарии и Китае. Недавно он начал также работать по мегагранту российского правительства в Московском физико-техническом институте в Долгопрудном, где тоже организована специализированная лаборатория.

В своей статье «Неожиданные стабильные хлориды натрия» (Unexpected stadle stoichiometries of sodium chlorides) в журнале Science А. Оганов и его коллеги показали, что в природе вполне могут существовать и другие соединения натрия и хлора, в том числе и те, что перечислены выше.

Когда ученые помещали кристаллы соли в зону высокого давления (200 000 атмосфер), а затем добавляли хлор или натрий, появились такие «невозможные» соединения, как Na3Cl и NaCl3. Более того, удалось найти и другие устойчивые соединения натрия и хлора, которые считались невозможными, поскольку требуют совершенно иной формы химической связи — с более высокой энергией, чем обычно.

Тем не менее, ученые создали данные соединения, причем они, как уже говорилось, стабильны, то есть при высоком давлении сохраняют свои свойства долгое время, а при обычном давлении — несколько минут.

Это начало революции в химии, уверен Артем Оганов. «Мы обнаружили, что при давлениях, достижимых в лаборатории, получаются новые стабильные соединения, которые противоречат классическим правилам химии, — говорит он. — Если применить относительно небольшое давление в 200 000 атмосфер (давление в центре Земли составляет 3,6 млн. атмосфер), многое из того, что мы знаем из учебников химии, перестает работать».

На практике это означает, что возможно создание материалов с необычными свойствами, которые кажутся на первый взгляд абсурдными. Например, среди созданных командой Артема Оганова соединений есть двумерные металлы, которые проводят электричество лишь вдоль слоев материала, но не поперек.

Скажем, Na3Cl состоит из слоев NaCl и слоев чистого натрия, при этом слои NaCl обладают свойствами диэлектрика, а слои чистого натрия проводят ток. Системы с подобной двумерной электропроводностью могут иметь большой успех в полупроводниковой технике.

Экзотические соединения не только расширяют теоретические горизонты познания химии, но и могут принести ощутимую пользу на практике. Так, NaCl7, NaCl3, Na3Cl2 и Na2Cl — металлы, которые могут оказаться весьма полезными в микроэлектронике.

«Если даже простое химическое соединение, соль, способно превратиться в такие разнообразные вещества в условиях высокого давления, то и другие, вероятно, также на это способны, — объясняет Артем Оганов. — Это может помочь ответить на многие важные вопросы, например, о начале развития ядер планет, а также поможет создать новые материалы.

Такое вещество, как NaCl, не может быть исключением, скорее мы имеем дело с новым классом соединений, которые будут возникать в огромном множестве систем. Мы это уже подтвердили для KCl, а сейчас у нас уже есть предсказание для системы магний-кислород, где мы предсказываем два соединения — MgO2 и Mg3O2».



Локализация электронов в кубической структуре нового соединения NaCl3.


Несмотря на экспериментальное подтверждение существования новых веществ, понять природу их стабильности получается не сразу. «Нам удалось разобраться со строением Mg3O2. Это не металл, кислорода в нем меньше, чем магния. Позиции, которые пусты между атомами магния, занимают электроны. Получается отчасти ионная структура», — пояснил ученый.

Интернациональный коллектив лаборатории А. Оганова в МФТИ, в частности, изучает природу химической связи в новых, «невозможных» соединениях. Эти работы — ключ к объяснению их свойств и конструированию веществ с заранее заданными полезными особенностями.

«Такие структуры можно смоделировать на компьютере, рассчитать их энергию. Оказалось, что целый ряд «странных» соединений можно успешно стабилизировать, повысив давление, — говорит Оганов. — Но я думаю, что можно создать и другие экстремальные условия, при которых эти вещества можно получить, а также сделать стабильными. Например, подобные условия можно создать на поверхностях кристаллов. Поверхность — это тоже экстремальное состояние, где примерно половина связей разорваны. Известно, что химический состав на поверхностях кристаллов бывает совсем не тот, что в объеме».

М. ЯБЛОКОВ

Загрузка...