Давление и температура превратили поваренную соль в химически невозможные формы

Эксперименты по воздействию высокого давления на обычную поваренную соль помогли создать новые химические соединения, которые не должны существовать в соответствии с правилами учебников химии.

Исследование, проведённое в немецком синхротронном центре DESY с помощью источника рентгеновского излучения PETRA III международной исследовательской группой под руководством профессора Артёма Оганова (Artem Oganov) из университета Стоуни-Брука и профессора Александра Гончарова (Alexander Goncharov) из института Карнеги, может проложить путь к новому, более универсальному пониманию химической науки.

Поваренная соль, также известная как хлорид натрия или NaCl, является одним из наиболее известных и наиболее изученных химических соединений. Она кристаллизуется в кубическую элементарную ячейку и крайне стабильна. Состав её молекулы прост: один атом натрия (Na) и один атом хлора (Cl). По крайней мере, это верно для нормальных условий окружающей среды. Любые другие вариации соединения этих двух элементов запрещены классическими правилами химии.

Так, согласно правилу октета, все химические элементы стремятся заполнить свою внешнюю оболочку восемью электронами, что гарантирует наиболее стабильную конфигурацию атома. Так как у натрия есть один "лишний" электрон, а у хлора один отсутствует, натрий отдаёт свой электрон хлору, в результате чего у обоих атомов внешняя оболочка заполняется восемью частицами и формируется крепкая ионная связь.

Но, когда учёные подвергли поваренную соль воздействию давления в 200 тысяч атмосфер и более и температуры порядка 1700 градусов Цельсия, а также добавили дополнительное количество натрия или хлора, то появились "невозможные" соединения, такие как Na₃Cl и NaCl₃.

"После проведения теоретических изысканий, мы попробовали нагреть образцы лазером под давлением в течение некоторого времени, – объясняет соавтор исследования доктор Зузана Конопкова (Zuzana Konôpková) из центра DESY. – Нам удалось найти и другие устойчивые соединения натрия и хлора, которые стали для нас неожиданностью".

Теоретически, этого не должно было произойти, так как эти соединения требуют совершенно иной формы химической связи с более высокой энергией.

Команда Оганова с помощью компьютерного моделирования вычислила, что экзотические соединения могут формироваться под воздействием экстремальных условий и оставаться стабильными в этих же условиях. Учёные предположили, что получатся странные соединения, способные опровергнуть правила из учебников химии: NaCl₃, NaCl₇, Na₃Cl₂, Na₂Cl и Na₃Cl. С помощью PETRA III и в институте Карнеги учёные проверили свои догадки в ходе экспериментов, ориентированных на создание Na₃Cl и NaCl₃. По расчётам специалистов, именно эти соединения создать легче остальных. И это им удалось.

Что любопытно, эти соединения являются термодинамически стабильными, то есть если не менять давление и температуру, они не распадаются со временем (однако при нормальном давлении они "живут" около пары минут). Классическая химия опровергает само их существование, к тому же утверждает, что правило октета обязано выполняться, а в данном случае, оно игнорируется.

Эксперименты с поваренной солью могут быть лишь началом череды открытий совершенно новых соединений. "Если настолько простейшая система способна превратиться в такое разнообразие соединений в условиях высокого давления, то и другие, скорее всего, смогут, – говорит Гончаров. – Это открытие поможет найти ответы на всё ещё открытые вопросы о возникновении планетарных ядер, а также повлечь за собой создание новых материалов для практического применения".

Подробности эксперимента описаны в статье в журнале Science.

Также по теме:
Учёные из Швеции получили "невозможный" материал
Атомы бора образовали тройную связь и вступили в элитный клуб
Немецкие физики приблизились к созданию ударопрочного стекла
Химики синтезировали супергель с необычными физическими свойствами
Физики разгадали многолетнюю загадку о поведении электронов
Физики создали "невозможную" линзу для гамма-лучей
Синтетический гель имитирует самовосстановление ящериц