«Неможлива» сполука гелію

 

Вперше науковцям вдалося створити стабільну хімічну сполуку з благородним газом гелієм. Дотепер цей елемент вважали надто неактивним і стабільним, аби взаємодіяти з іншими атомами. Проте нещодавно за екстремально високого тиску хімікам вдалося створити солеподібний іонічний кристал з натрію та гелію. Ця сполука проявила себе стабільною за тиску понад 113 гігапаскалів, інформують науковці в журналі Nature Chemistry.



У кожному порожньому полі Na₂He-гратки, утвореної іонами натрію (рожеве), розташовані поєднання електронних пар (жовте). Атоми гелію позначені білим кольором. Зображення: Ivan Popov/ Utah State University.

 

Гелій – найлегший з-поміж усіх благородних газів, проте один з найменш «соціальних». Адже на відміну від інших елементів у періодичній системі добровільно гелій не утворює жодних сполук. Його обидва електрони цілком заповнюють S-орбіталь й роблять атом нездатним її змінити в результаті поєднання з іншими елементами. Лише за надзвичайних умов виникає так званий ефект Ефімова-Трімера, тобто вільне об’єднання трьох атомів.

 

«Впродовж останніх десяти років багато науковців намагалося віднайти стабільні сполуки гелію»,– пояснив Артем Оганов (Artem Oganov) і його колеги з Московського інституту фізики та технологій. Дотепер не вдавалося створити стабільну молекулу гелію зі справжніми ковалентними зв’язками.

 

Проте Оганов та його колеги змогли «обхитрувати» гелій. У дослідників виникла ідея: під дією високого тиску змінити властивості благородного газу так суттєво, щоб уможливити об’єднання з іншими елементами. Спочатку дослідники з допомогою алгоритмів перевіряли, які молекулярні структури гелію є потенційно стабільними за різного тиску.

 

«Ми знайшли нову сполуку Na₂He, що виникала за тиску понад 160 гігапаскалів і мала меншу ентальпію, ніж суміш елементарного натрію та гелію» – розповіли вчені про результати першого етапу своїх досліджень. Це засвідчувало, що за описаних умов мала б виникати стабільна кристалічна структура. Згідно з підрахунками, за тиску, якого можна досягнути в лабораторії, натрій проявив себе єдиним елементом, з яким гелій входить у реакцію.

 

Але чи можна створити таку гелієву сполуку насправді? Аби це перевірити, хіміки піддали тискові в діамантовому ковадлі суміш натрію та гелію. За тиску понад 113 гігапаскалів рентгеноструктурний аналіз та раман-спектроскопії засвідчили зміни. Так з суміші обох елементів виникла нова кристалічна сполука.

 

«Речовина, яку ми виявили, цілком унікальна», – повідомив Оганов. Структурою Na₂He подібна на іонний, солеподібний кристал. У ньому атоми гелію об’єднані в кубічну гратку, побідну на 3D-модель шахової дошки, в якій гелій займає кожне чорне поле. Порожні поля натомість зайняті парою електронів, що оточені іонами натрію.

 

«Ця сполука є електридом, кристалом з позитивно зарядженим іоновим ядром, в якому сильно локалізовані валентні електрони виконують функцію аніонів», – пояснюють учені. Присутність гелію зумовлює таке розташування електронів та робить екзотичний кристал непровідником. Так, Na₂He хоч і є екзотичною, проте за високого тиску стабільною, справжньою сполукою гелію з іншим елементом, наголошують учені.

 

Те, що ця «неможлива» сполука існує, здавалося редакторам фахового журналу настільки неймовірним, що знадобилося два роки, аби стаття пройшла рецензування та була опублікована.

 

«Наше дослідження демонструє: за екстремальних умов можуть виникати дуже незвичні явища та сполуки», – розповів Оганов. Також він та його колеги з допомогою своїх алгоритмів натрапили на іншу кристалічну структуру гелію, що виникає за високого тиску. Сполука Na₂HeO подібна на кристалічну структуру Na₂He, та лише в полях з парами електронів розташовані іони O₂. Існування Na₂HeO потрібно ще підтвердити експериментально.

 


"Unmögliche" Helium-Verbindung erzeugt 
Nature Chemistry, 07.02.2017
Зреферувала Соломія Кривенко

 

 

18.02.2017