Как с помощью новых стабильных хлоридов натрия изменить химию

Александр Березин — 21 января 2014 года, 18:19

Поваренная соль — вот единственный отклик, который рождается в душе среднестатистического индивида при словах «хлорид натрия». Казалось бы, такой ответ вполне логичен: электроотрицательность у натрия и хлора очень разная, и потому натрий в соединении отдаст электрон, а хлор захочет его забрать. Какие тут могут быть комбинации, кроме банального NaCl?

Но у уже знакомого вам Артёма Оганова из Стоуни-Брукского университета (США) всё равно возникла крамольная мысль: а не открыть ли тут чего-нибудь новенького? «Долгое время меня преследовала такая идея: когда учебник химии говорит, что определённое соединение невозможно, какой именно смысл вкладывается в это "невозможно"? — вопрошает г-н Оганов. — Потому что я, например, могу на компьютере поставить атомы в определённые позиции в определённых пропорциях, а затем посчитать нужную для этого энергию. "Невозможно" в действительности значит, что энергия, необходимая для создания таких соединений, должна быть высокой... Нельзя ли уменьшить её количество и сделать такие соединения стабильными?..»

Попробовав этот подход на практике и основываясь на созданных ими же методах моделирования новых соединений, химики отыскали несколько довольно нетривиальных сочетаний: NaCl₃, NaCl₇, Na₃Cl₂, Na₂Cl и Na₃Cl. «Эти соединения термодинамически стабильны, и, однажды сделанные, они могут существовать неопределённое время, — поясняет Вэйвэй Чжан (Weiwei Zhang), ведущий автор новой работы. — Классическая химия запрещает само их существование. Кроме того, классическая химия говорит, что атомы стремятся к выполнению правила октетов, когда при образовании молекул атомы удовлетворяют свою потребность в достижении 8-электронной валентной оболочки, подобной электронной конфигурации ближайшего благородного газа, с завершёнными электронными оболочками, делающими их очень стабильными.

Что ж, это правило здесь не выполняется».

Мы вряд ли можем полностью разделить энтузиазм исследователя в отношении последнего утверждения: история показывает, что правило октета чуть сложнее, чем кажется, и иногда очень трудно сказать, нет ли у него второго дна. И тем не менее нельзя не заметить, что правило действительно не предусматривает стабильных соединений, полученных в этот раз на практике.

Да, для их образования пришлось приложить пару сотен тысяч атмосфер — но вопрос о том, где могут возникнуть такие условия, как раз не стоит. Напомним: в центре Земли давление достигает 3,6 млн атмосфер: выходит, тамошние процессы могут протекать с соединениями именно такой экзотичности. Наконец, названные формы хлорида натрия стабильны, то есть не склонны разрушаться со временем. Единожды затратив энергию на их создание, можно не беспокоиться о дальнейшем: они не исчезнут в одночасье, что в теории может позволить им существовать и после попадания в нормальные условия.

Иными словами, планетологи, моделирующие процессы в земной мантии и ядре (а равно и те, что идут внутри других планет), вполне могут включать вещества, рассчитанные и созданные по новой методике, в свои гипотетические построения планетных «внутренностей».

Кроме того, не исключено, что подобные вещества могут оказаться интересными на практике. Так, Na₃Cl, синтезированный группой г-на Оганова в лаборатории, имеет структуру повторяющихся пластин двумерного металла. По сути, это слои обычной поваренной соли, между которыми заключены пластинки чистого натрия, изолируемого, в свою очередь, поваренной солью от внешних воздействий и способного проводить электричество. Двумерные системы, которые могут проводить электрический ток, из-за своих необычных свойств в последнее время приобрели довольно большую популярность, и в принципе новый хлорид натрия в этом смысле может оказаться весьма интересен.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science.

Подготовлено по материалам Стоуни-Брукского университета.