Nuo šalčio ginkitės, kūrendami vadovėlius: mokslininkai ir vėl padarė „neįmanomą“ dalyką - sukūrė stabilų helio junginį

Jei dar prisiminate vidurinės mokyklos chemijos pamokas, žinote, kad helis keistokas. Šios inertinės dujos yra mažiausiai reaktyvus periodinės elementų sistemos elementas, ir kadangi išorinis jo elektronų sluoksnis užpildytas, įprasta manyti, kad helis su kitais atomais reaguoti ir sudaryti stabilių junginių negali.

Nors kitos inertinės dujos dideliame slėgyje rodo junginių formavimo ženklus, helio inertiškumas buvo nepajudinamas – iki šiol. Mokslininkai praneša sukūrę stabilų helio ir natrio junginį, verčiantį abejoti kai kuriomis fundamentaliausiomis šiuolaikinės chemijos prielaidomis.

„Veikiant dideliu slėgiu, chemija kinta, ir tai gali vykti Žemės viduje bei kitose planetose, tarkime, Saturne,“ vienas iš komandos narių, Ivanas Popovas iš Jutos valstijos universiteto, sakė Gizmodo.

„Tačiau tai – vadovėlius keičiantis įvykis.“

Trumpai priminkime chemijos žinias. Helis yra antras pagal paplitimą visatoje cheminis elementas, ir priklauso šešių elementų grupei, vadinamai inertinėmis dujomis. Tokio pavadinimo jos nusipelnė savo, sakykime taip, nenoru formuoti junginius su kitais elementais.

Tačiau, kai kurios šios grupės narės išdavė pelnytą inertinių dujų reputaciją. Jas pateisinant, verta paminėti, kad reaktyvumo ženklus jos demonstravo ne savanoriškai, o tik ekstremaliomis sąlygomis. Tad inertinių dujų grupes galima padalinti į dvi dalis – kriptonas, ksenonas ir radonas inertiškumo atsisako santykinai lengvai, o štai argonas, neonas ir helis inertiškumo priesakų laikosi itin skrupulingai.

Tyrėjams buvo pavykę suporuoti helį su kitais elementais ir anksčiau, bet iki šiol rezultatai buvo labai trumpalaikiai.

Vienas iš dažniausių helio reagavimo su kitais elementais pavyzdžių susijęs su van der Waalso jėgomis – traukiančiomis arba stumiančiomis jėgomis, kurių formavimuisi nereikia įprastų kovalentinių ar joninių ryšių.

Yra žinoma, kad labai silpnos van der Waalso jėgos egzistuoja tarp helio ir kitų elementų atomų, ir kad itin žemoje temperatūroje helis gali suformuoti van der Waalso molekules – labai silpnai susijusių atomų ar molekulių santalkas – bet jos negali ilgai išlikti.

Heliui nepalenkiamą stabilumą suteikia užpildytas išorinis jo elektronų apvalkalas, tai reiškia, kad čia nėra vietos ryšiams su kitais atomais, kurie mezgami, dalinantis elektronais.

Bet tai galioja tik sąlygoms, panašioms į esančias Žemės paviršiuje.

Kadangi helis, kaip jau minėta, yra vienas labiausiai paplitusių elementų Visatoje – 23% visos barioninės Visatos masės sudaro helis – ir dalyvauja žvaigždžių ir dujinių planetų formavimesi, helis gali elgtis labai skirtingai kosmose ir mūsų planetos gelmėse, ir tyrėjai aptiko pirmuosius tokio keisto elgesio įrodymus.

„Itin aukštas slėgis, koks yra Žemės branduolyje ar planetų milžinių viduje, helio chemiją drastiškai pakeičia,“ phys.org. sakė vienas iš komandos narių, Alex Boldyrev iš Jutos valstijos universiteto.

Mokslininkai, panaudoję „kristalo struktūros prognozavimo“ kompiuterinį modelį, nustatė, kad itin aukštame slėgyje, gali susidaryti stabilus helio–natrio junginys.

Tada jie fiziškai sukūrė šį niekada anksčiau neregėtą junginį, Na₂He, deimantiniu priekalu, kuriuo jiems pavyko helio ir natrio atomus paveikti slėgiu, maždaug 1,1 mln kartų viršijančiu Žemės atmosferos slėgį.

„Šie atradimai buvo tokie netikėti, sako Boldyrevas, kad jis su kolegomis ilgiau nei du metus stengėsi įtikinti mokslo recenzuotojus ir redaktorius šiuos jų rezultatus publikuoti“ sako Muffoletto.

Remiantis šiais rezultatais, komanda nuspėjo, kad natris lengvai susijungs su heliu ir suformuos stabilų Na₂He junginį 10 milijonų kartų didesniame slėgyje, nei pasiektas dabar.

Ir, kas įdomu, junginys susiformuoja be jokių komponentus laikančių cheminių jungčių.

„Mūsų atrastas junginys itin neįprastas: helio atomai nesuformuoja jokių cheminių jungčių, tačiau jų buvimas fundamentaliai pakeičia natrio atomų sąveiką, priverčia elektronus susitelkti kubinėse struktūros gardelių ertmėse, ir paverčia medžiagą izoliatoriumi,“ pranešime sakė vienas iš tyrėjų, Xiao Dong iš Nankai universiteto Kinijoje.

Žemiau pateikiama kristalinė Na₂He struktūra – pakaitomis einantys natrio (violetiniai) ir helio (žali) atomai, su ertmėse esančiais bendrais elektronais (raudoni):

„Tai nėra tikra jungtis,“ kaip joninė ar kovalentinė, Popovas sakė Gizmodo. „Bet [helis] struktūrą stabilizuoja. Pašalinus helio atomus, struktūra nebūtų stabili.“

Štai dar pora vaizdų, – kairėje natris rožinis ir helis baltas; dešinėje – natrio ir helio kubai pilki, o elektronai raudoni:

Pastaruoju metu chemikai padarė dar kelis tokius „taisykles laužančius“ atradimus, kai skirtingos komandos sukūrė pirmuosius metalinio vandenilio pavyzdžius ir anglies molekulę su šešiomis – o ne keturiomis – jungtimis.

Bet kadangi tokie atradimai prieštarauja įsigalėjusiai nuomonei, jie dažnai sutinkami itin skeptiškai, kol rezultatų nepakartoja nepriklausomai tyrėjai.

Šio tyrimo rezultatai kol kas atrodo tvirti, tad vėlesniuose eksperimentuose galime tikėtis išvysti išties įdomius rezultatus.

„Tai daug tvirtesnis mokslas,“ Gizmodo sakė su tyrimu nesusijęs fizikas Henry Rzepa iš ICL, lygindamas helio jungtis su metalinio vandenilio atradimu.

„Šis helio junginys yra proveržis.“

Kad būtų išsiaiškinta, kas vyksta, dar reikės atlikti daugiau eksperimentų, bet 2017-ieji jau dabar atrodo kaip metai, kai daugelis senų chemijos tiesų tikrinamos, ir labai smalsu, kas nutiks toliau.

Bec Crew
sciencealert.com