Условия земного ядра заставили ксенон прореагировать с железом и никелем

Химики обнаружили, что ксенон может образовывать устойчивые соединения с железом и никелем при давлении и температуре, соответствующим условиям ядра Земли. Образование таких соединений при экстремальных условиях может быть одной из причин пониженного содержания ксенона в атмосфере Земли, пишут ученые в Physical Review Letters.

Ксенон — первый из инертных газов, для которого были получены устойчивые химические соединения. Реагирует он только с сильными окислителями, в первую очередь с фтором. Сейчас для ксенона известны несколько устойчивых фторидов и оксидов, а также ряд органических соединений. Предполагалось, что при экстремальных условиях: очень высоких давлениях и температурах — ксенон также может реагировать и с металлами. Именно такие реакции, как считается, могут объяснять «парадокс пропавшего ксенона» — пониженное содержание ксенона в атмосфере Земли относительно других устойчивых инертных газов: аргона и криптона — и несоответствие его концентрации и изотопного состава химическому составу хондритовых метеоритов, который позволяет изучить концентрации элементов на ранних этапах развития Солнечной системы, когда формировались планеты.

Для проверки гипотезы о возможном существовании соединений ксенона с металлами ученые из США, Канады, Китая и России под руководством Элиссайоса Ставру (Elissaios Stavrou) из Ливерморской национальной лаборатории попробовали синтезировать эти вещества в лабораторных условиях. Эксперимент ученые проводили при термодинамических условиях, соответствующих ядру Земли: давлении 500 тысяч до 2 миллионов атмосфер и температуре от 1000 до 2500 градусов. Эксперимент проводился для трех смесей (ксенон-железо, ксенон-никель и ксенон-сплав железа и никеля состава Fe_0,93Ni_0,07) в ячейке с алмазными наковальнями при нагревании лазером. Полученные вещества авторы работы проанализировали с помощью рамановской спектроскопии в условиях протекающей реакции.

Оказалось, что в таких системах может происходить образование двух типов соединений: при взаимодействии ксенона с железом или железо-никелевым сплавом при температурах более 2000 градусов и давлениях более 2 миллионов атмосфер образуется соединение XeFe₃ или Xe(Fe_0,93Ni_0,07)₃ с орторомбической структурой, где кристаллическая ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, а с никелем ксенон образует кубический кристалл аналогичного состава XeNi₃, но при более низких температурах и давлениях: 1,5 миллиона атмосфер и 1500 градусов Цельсия.

Для подтверждения экспериментальных данных ученые провели численный расчет термодинамических величин, которые объясняют приоритетное образование той или иной кристаллической структуры в каждом случае, а также рассчитали карты распределения плотности зарядов в кристаллах при экстремальных условиях.

Возможность образования соединений ксенона с металлами подтверждает гипотезу о вероятной причине понижения концентрации ксенона за счет образования соединений с металлами и объясняется перестройкой электронной структуры металлов при сверхвысоких давлениях. Авторы работы отмечают, что для того, чтобы такая реакция вообще прошла, как у никеля, так и у железа при повышении давления должна сильно увеличиваться их электроотрицательность, в результате чего они приобретают свойства окислителей.

По словам химиков, результаты работы показательны и как пример того, как в экстремальных условиях даже электроположительные металлы могут выступать в роли окислителей и образовывать анионы.

Ученые отмечают, что несмотря на первое экспериментальное подтверждение возможности образования соединений железа и никеля с ксеноном, все же вряд ли этот процесс происходил в процессе формирования земного ядра, потому что эта химическая реакция все же требует в несколько раз больших давлений, чем наблюдались тогда. Тем не менее, образование таких соединений могло быть одним из нескольких этапов многостадийного процесса, при котором сначала ксенон растворялся в расплавленном металле, после чего при увеличении давления — уже формировал устойчивые соединения.

Отметим, что и некоторые другие соединения ксенона тоже были получены лишь при сверхвысоких давлениях. В частности, почти все оксиды устойчивы лишь при давлении больше 500 тысяч атмосфер.

Александр Дубов