Химики преодолели «нежелание» ксенона и азота соединяться

Химики из Университета Эдинбурга и шанхайского исследовательского центра HPSTAR впервые продемонстрировали образование ван-дер-ваальсовых соединений между ксеноном и азотом при комнатной температуре. Авторы обнаружили, что два практически инертных соединения образуют слабо связанную молекулу Xe(N2)2 при давлениях около 50 тысяч атмосфер. Подтвердить ее существование удалось спектроскопически и методами рентгеновской дифракции. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Ван-дер-ваальсовы связи — самый слабый вид взаимодействий из возникающих между молекулами или атомами. Их энергия на порядки меньше, чем энергия химических связей (например, ковалентных) и уступает даже водородным связям. Тем не менее, в некоторых условиях такие связи можно зафиксировать и даже наблюдать соединения, которые ею обусловлены. К примеру, именно такими взаимодействиями обусловлено существование димеров гелия He2. Отличить два атома, связанных ван-дер-ваальсовыми связями, от изолированных частиц можно с помощью спектральных методов: такая связь обладает характерными частотами колебаний, из которых можно, например, выяснить ее энергию. 

Особый интерес химиков вызывают процессы, в ходе которых в реакцию вступают вещества, обычно не реагирующие ни с чем. К примеру, ксенон при комнатной температуре не реагирует ни с чем, кроме окислителя исключительной силы — гексафторида платины. Немного активнее вступает в химические реакции азот — основной компонент нашей атмосферы. При комнатной температуре он вступает в химическое взаимодействие с литием. 

Недавно теоретики предсказали, что при давлении в 1,46 миллиона атмосфер ксенон и азот могут реагировать друг с другом, образуя нитрид ксенона с формулой XeN6. В новой работе химики попытались проверить это предположение. Хотя найти признаки образования нитрида ксенона ученым не удалось, авторы обнаружили, что уже при давлении в 50 тысяч атмосфер два этих газа формировали ван-дер-ваальсовы связи. 

В эксперименте химики помещали твердый ксенон (при температуре менее –112 градусов Цельсия) в ячейку, состоящую из двух алмазных «наковален». Затем туда же помещали под давлением чистый азот. После этого ячейку сдавливали, создавая давление вплоть до 1,8 миллиона атмосфер. Благодаря прозрачности и стойкости алмаза физики могли проводить спектральные и рентгеновские измерения образца, находившегося внутри ячейки. 

На формирование ван-дер-ваальсового соединения указало резкое изменение картины рентгеновского рассеяния на ячейке. Исходя из этих данных авторы приписали ему стехиометрию Xe(N2)2 — на один атом ксенона в кристаллической ячейке приходится две молекулы азота. Спектральные характеристики позволили ученым выяснить, что вещество, возможно, меняет с ростом давления свои электронные свойства, становясь металлом. По словам авторов, давление, при котором происходит этот переход в соединении ксенона и азота ниже, чем в чистом ксеноне.

Химики отмечают высокую стабильность Xe(N2)2 при высоких давлениях (вплоть до 1,8 миллиона атмосфер) и высоких температурах (до двух тысяч кельвинов). Как заключают авторы, новая работа вновь показывает, что ксенон гораздо более реакционноспособен, чем считалось ранее.

Недавно другая группа химиков из Великобритании, Японии и Франции заставила ксенон вступить в соединение с кислородом, синтезировав два новых его оксида — Xe3O2 и Xe2O5. Для этого потребовались давления на порядок большие, чем в новой работе — около миллиона атмосфер. Авторы также использовали в своей работе алмазную ячейку.

Высокие давления заставляют многие вещества менять свои химические и физические свойства. Так, при давлениях порядка двух миллионов атмосфер типичный металл натрий становится прозрачным диэлектриком, графит превращается в лонсдейлит, а в окиси азота возникают сверхпроводящие свойства. Одним из самых примечательных примеров является поведение cероводорода под давлением: он становится рекордсменом высокотемпературной сверхпроводимости.

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Безумие в наследство — 2

Как развитие технологий позволило нащупать «топологическое решение» загадки шизофрении

Шизофрения — одна из самых загадочных и сложных болезней человека. Уже более ста лет ученые пытаются понять причины ее возникновения и найти ключ к терапии. Пока эти усилия не слишком успешны: до сих пор нет ни препаратов, которые могли ли бы ее по-настоящему лечить, ни даже твердого понимания того, какие молекулярные и клеточные механизмы ведут к ее развитию. О том, как ученые бьются с «загадкой шизофрении» мы уже неоднократно писали: сначала с точки зрения истории психиатрии, затем с позиции классической генетики (читателю, который действительно хочет вникнуть в суть проблемы, будет очень полезно сначала прочитать хотя бы последний текст). На этот раз наш рассказ будет посвящен новым молекулярно-биологическим методам исследования, которые появились в распоряжении ученых буквально в последние несколько лет. Несмотря на сырость методик и предварительность результатов, уже сейчас с их помощью получены важнейшие данные, впервые раскрывающие механизм шизофрении на молекулярном уровне.