Тема:

Химия 1 месяц назад

Придётся переписывать учебники по химии: впервые получено стабильное соединение гелия

Модель кристаллической решётки гелида натрия. Зелёные кубы представляют собой атомы гелия, окружённые восемью атомами натрия (фиолетовые шарики). Красным отмечены места локализации электронных пар.
Иллюстрация Артём Оганов.

Читайте нас в Telegram

Ещё со школьной скамьи мы помним, что в периодической таблице химических элементов есть таинственная группа инертных (благородных) газов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон. Их отличительной чертой является то, что в нормальных земных условиях они практически не вступают в химические реакции и не образуют химических соединений. Но если потрудиться, то можно их заставить сделать это.

До настоящего момента было получено всего несколько сотен соединений с инертными газами, большинство из которых включают ксенон и криптон. Но никогда прежде учёным не удавалось получить стабильное химическое соединение с гелием или неоном. Дело в том, что атом гелия имеет чрезвычайно стабильную, плотную электронную оболочку, в которой просто нет места для образования связи с другим химическим элементом. Можно сравнить с тем, как если бы кто-то попытался взять друга за руки, на которых надеты шары для боулинга.

Но современная научная мысль не ограничивается обычными земными условиями и в поисках новых знаний об устройстве материи устремляется к экстремальным температурам и давлениям, которые можно найти, двигаясь к центру нашей планеты, или выходя за её пределы, например на газовых гигантах. Именно там элементы и соединения меняют свои свойства и оказываются способны пойти против устоявшихся в науке теорий.

Международная команда исследователей из России, Китая, США, Германии и Италии бросила вызов основам классической химии и объявила, что ей удалось создать первое стабильное соединение гелия – гелид натрия. В работе принимали участие сразу несколько российских специалистов, работающих как на родине, так и за рубежом, таких как профессор Сколтеха, Московского Физтеха и Университета Стони Брук Артём Оганов, профессор Университета Юты Александр Болдырев, профессор Института Карнеги Александр Гончаров и другие.

Открытие показалось многим уважаемым экспертам столь невероятным, что на принятие статьи с описанием моделей и результатами экспериментов к публикации потребовалось почти два года.

Первоначально учёные воспользовались помощью китайского суперкомпьютера "Тяньхэ-2", или "Млечный Путь-2", который является вторым по мощности в мире. Машина позволила предсказать существование сразу двух устойчивых соединений гелия – гелида натрия и оксигелида натрия. Первое состоит из двух атомов натрия и одного атома гелия, а второе включает помимо них ещё один атом кислорода. Согласно модели их образование возможно при давлении, которое превышает атмосферное в 150 тысяч и 1,1 миллиона раз, соответственно.

Алгоритм поиска соединений USPEX был разработан командой Оганова. Ранее с его помощью уже было предсказано существование ортоугольной кислоты и других соединений.

На следующем этапе гелид натрия был получен в лабораторных условиях командой Гончарова. Для этого между двумя алмазными наковальнями, куда поместили газообразный гелий и натрий, создавали давление в 1,1 миллиона атмосфер. (Недавно похожим способом был получен металлический водород). Расчёты показали, что соединение может оставаться стабильным как минимум до давления в 10 миллионов атмосфер.

Гелид натрия представляет собой твёрдое вещество, структура которого похожа на флюорит – соединение кальция с фтором, который является соседом гелия по периодической таблице. В кристаллической решётке каждый атом гелия окружён восемью атомами натрия. Для лучшего понимания можно представить себе трёхмерную шахматную доску, половина кубов которой занята атомами гелия, а в центре второй части локализованы электроны.

В действительности атомы гелия не образуют никаких связей с атомами натрия, по крайней мере, в обычном понимании. Однако под огромным давлением они существенно изменяют химические взаимодействия между последними таким образом, что электроны, которые, имея отрицательный заряд, должны отталкиваться в нормальных условиях, уживаются попарно в структуре гелида.

Что же касается оксигелида натрия, то, согласно модели, атомы кислорода должны будут встать на место "пустот", которые заняты электронами в гелиде. Предположительно, оксигелид будет стабилен при давлении от 150 тысяч до 1,1 миллиона атмосфер. Что ж, остаётся ждать, когда же исследователи объявят об экспериментальном подтверждении существования и этого соединения.

Результаты уникальной работы снова доказывают, что внутри газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн, звёзд и, возможно, других космических объектов творится совсем другая химия. Разобравшись в ней, учёные, вероятно, смогут сделать прорыв в понимании того, как устроена наша Вселенная.

Сегодня