Химики создали полностью металлический аналог карбоната

Химики из Мюнхенского технического университета синтезировали изоэлектронный аналог карбонат-иона, состоящий полностью из атомов металлов — [SnBi₃]^5-. Это первый пример полностью металлического аналога карбоната, к тому же устойчивого в растворах. Процесс синтеза занял около семи месяцев. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition, кратко о нем сообщает Chemistry World.

Изоэлектронные аналоги — соединения, в молекулах которых содержатся одинаковое количество атомов и совпадающие наборы валентных электронов. Например, изоэлектронными аналогами являются угарный газ (CO) и азот (N₂). В атоме углерода ровно на один валентный электрон меньше, чем в азоте, а в кислороде — на один больше, суммарное число валентных электронов в азоте и в угарном газе совпадает. Другие примеры —  анионы серной и хлорной кислот (SO₄^2- и ClO₄^-), графен и нитрид бора. Изоэлектронные частицы оказываются очень близки по своим физическим свойствам: одинаковая структура, похожие температуры плавления и кипения, сходные энергии химической связи. 

Авторы новой работы обнаружили рекордно тяжелый изоэлектронный аналог карбонат-аниона в рамках исследования висмутидов — соединений, в которых висмут несет на себе отрицательный заряд. Химики растворили в жидком аммиаке висмутид калия (K₃Bi₂) и станнид калия (K₄Sn₉) и оставили получившуюся красную жидкость более чем на полгода. В результате, через семь месяцев ученые обнаружили в сосуде черные пластинчатые кристаллы K₅[SnBi₃]·9(NH₃) — калиевой соли необычного аниона. 

Структурный анализ показал, что [SnBi₃]^5- — не часть полимерной цепочки из атомов металлов, а анион в форме правильного треугольника, геометрически совпадающий с карбонат-анионом (CO₃^2-). Как и карбонат, новый анион содержит 24 валентных электрона, все атомы висмута в нем абсолютно идентичны (заряд делокализован между резонансными структурами). В отличие от карбонатов, стабильных в водных растворах, [SnBi₃]^5- быстро разлагается в присутствии воды — соединение устойчиво лишь в растворах жидкого аммиака.

У карбоната есть и более простые изоэлектронные аналоги — например, анион азотной кислоты (NO₃^-). Ранее химики синтезировали другие аналоги карбонатов — комплексные пниктиды кремния и германия (Cs₅SiP₃ и другие), пниктиды алюминия и индия (Cs₆InAs₃). Поиск соединений с необычными электронными свойствами и нестандартных изоэлектронных аналогов позволяет проверить границы применимости современных теорий в химии. 

Ранее мы сообщали о синтезе новых классов «неорганических бензолов» — веществ, электронное строение которых напоминает ароматические органические вещества, но которые при этом не содержат в себе атомов углерода. 

Владимир Королёв