Российские химики открыли первое настоящее соединение гелия

6 Февраля 2017

МОСКВА, 6 февраля Российские и зарубежные химики рассказывают о возможности существования двух очень стабильных соединений самого ксенофобского элемента – гелия, и экспериментально подтвердили существования одного из них – гелида натрия, говорится в статье, поданной в журнале Nature Chemistry.

Данное исследование демонстрирует, как совершенно неожиданные явления могут быть обнаружены с помощью самых современных теоретических и экспериментальных алгоритмов. Наша работа в очередной раз иллюстрирует, насколько чуточного на сегодняшний день мы знаем о влиянии экстремальных условий на химию, и роль таких явлений на процессы внутри земель ещё предстоит объяснить, рассказывает Артем Оганов, профессор Сколтеха и Московского Физтеха в Долгопрудном.

Тайны благородных газов

Первичная ткань Вселенной, возникшая через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва, состояла всего из трех элементов – дейтерия, гелия и следовых содержаний лития. Гелий и сегодня является третьим по распространенности элементом мироздания, однако на Земле его встречается крайне мало, и запасы гелия на планете постоянно уменьшаются из-за того, что он улетучивается в космос.

Отличительной чертой гелия и других элементов восьмой группы таблицы Менделеева, которых ученые называют благородными газами, является то, что они крайне неохотно – в случае ксенона и других тяжелых элементов – или в принципе, как неон, не способны вступать в химические реакции. Существует лишь много десятков соединений ксенона и криптона с фтором, кислородом и другими сильными окислителями, ноль соединений неона и одно соединение гелия, обнаруженное экспериментальным путем в 1925 году.

Это соединение, объединение протона и гелия, не является настоящим хим соединением в строгом смысле этого слова – гелий в данном случае не участвует в образовании химических связей, хотя и влияет на поведение акцепторов водорода, лишенных электрона. Как раньше предполагали химики, молекулы этого вещества должны побывальщины встречаться в межзвездной среде, однако за последние 90 лет астрономы так и не выяснили их. Возможной причиной этого является то, что данный ион крайне нестабилен и разрушается при контакте с почти подругой другой молекулой.

Артем Оганов и его команда задумались, могут ли соединения гелия существовать при экзотических условиях, о которых подлунные химики задумываются крайне редко – при сверхвысоких давлениях и температурах. Оганов и его коллеги достаточно давно изучают подобную экзотическую химию и даже изготовили специальный алгоритм для поиска веществ, существующих в таких условиях. При его помощи они обнаружили, что в недрах газовых гигантов и некоторых других планет может существовать экзотическая ортоугольная кислота, невозможные версии простой поваренной соли, и ряд других соединений, нарушающих законы классической химии.

Используя эту же конструкцию, USPEX, российские и зарубежные ученые обнаружили, что при сверхвысоких давлениях, превышающих атмосферное в 150 тысяч и миллион раз, существует сразу два стабильных соединения гелия – оксигелид натрия и гелид натрия. Первое соединение есть из двух атомов натрия и одного атома гелия, а второе – из кислорода, гелия и двух акцепторов натрия.

Атом на алмазной наковальне

И то, и другое давление можно легко получить при помощи современных алмазных наковален, что и сделали коллеги Оганова под руководством другого россиянина Александра Гончарова из Геофизической лаборатории в Вашингтоне. Как показали его опыты, гелид натрия создаётся при давлении примерно в 1, 1 миллиона атмосфер и остается стабильным как минимум до 10 миллионов атмосфер.

Что интересно, гелид натрия похож по своей конструкции и свойствам на соли элемента, соседа гелия по периодической таблице. Каждый атом гелия в этой соли окружен восьмью атомами натрия, подобно тому, как устроен фторид элемента или любая другая соль плавиковой кислоты. Электроны в Na2He притянуты к атомам так сведущего, что это соединение, в отличие от натрия, является изолятором. Подобные структуры ученые называют ионными хрусталями, так как электроны оккупируют в них роль и место отрицательно заряженных ионов.

Открытое нами соединение весьма необычно: хотя атомы гелия напрямую не участвуют в химической связи, их присутствие фундаментально меняет хие взаимодействия между атомами натрия, способствуя сильной локализации валентных электронов, что делает полученный материал изолятором, объясняет Сяо Дун (Xiao Dong) из университета Нанканя в Тяньцзине (Китай).

Другое соединение Na2HeO оказалось стабильным в диапазоне давлений от 0, 15 до 1, 1 миллиона атмосфер. Вещество также является ионным хрусталём и имеет схожее с Na2He строение, только роль отрицательно заряженных ионов в них играют не электроны, а атомы кислорода.

Что интересно, все прочие щелочные металлы, обладающие более высокой реактивностью, гораздо менее охотно образуют соединения с гелием при давлениях, превышающих атмосферическое не более чем в 10 миллионов раз.

Оганов и его коллеги связывают это с тем, что орбиты, по которым движутся электроны в атомах калия, рубидия и цезия, заметным образом постепенно меняются при повышении давления, чего с натрием, по пока не понятным причинам, не происходит. Как полагают ученые, гелид натрия и другие подобные вещества могут встречаться в ядрах некоторых планет, белых карликов и прочих звезд.

Редактор рубрики

Олег Кудрин

Место события на карте мира:

Российские химики открыли первое настоящее соединение гелия

комментарии (0)

Другие интересные новости

Умер актер из украинского сериала "Слуга народа"