Ο μοριακός τύπος του αλατιού υπό πίεση δεν είναι NaCl

Posted on 20/12/2013

0


Κρυσταλλικές δομές του ΝaCl3 (A) και ΝaCl7 (B και C). Oμπλε σφαίρες παριστάνουν τα άτομα Νατρίου και οι πράσινες τα άτομα χλωρίου.

Κρυσταλλικές δομές του ΝaCl3 (A) και ΝaCl7 (B και C).
Oι μπλε σφαίρες παριστάνουν τα άτομα Νατρίου και οι πράσινες τα άτομα Χλωρίου. (http://arxiv.org/abs/1211.3644)

Κάθε μόριο μαγειρικού αλατιού αποτελείται πάντα από ένα άτομο χλωρίου και ένα νατρίου. Σωστά; Κι όμως, ο πασίγνωστος αυτός κανόνας φαίνεται πως δεν ισχύει πάντα. Αμερικανοί ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν «τρελά μόρια» που δείχνουν να παραβιάζουν τους κανόνες της χημείας, όπως χλωριούχο νάτριο με ένα νάτριο και τρία χλώρια. Όλως περιέργως, οι ουσίες αυτές είναι σταθερές και θα μπορούσαν μάλιστα να έχουν πρακτικές εφαρμογές.

«Πιστεύω ότι η μελέτη αυτή είναι η αρχή μιας επανάστασης στη Χημεία» ισχυρίζεται ο Άρτεμ Ογκάνοφ στο Πανεπιστήμιο του Στόνι Μπρουκ στη Νέα Υόρκη.

Η μελέτη της ομάδας του, με τίτλο «Μη αναμενόμενες σταθερές στοιχειομετρίες των χλωριούχων νατρίων», δημοσιεύεται στο κορυφαίο περιοδικό Science.

To χλώριο και το νάτριο είναι στοιχεία με τελείως διαφορετικές ηλεκτρασθένειες, δηλαδή διαφέρουν ως προς την τάση τους να προσελκύουν ηλεκτρόνια γύρω τους. Τα ιόντα νατρίου έχουν θετικό φορτίο +1, ενώ τα ιόντα χλωρίου αρνητικό φορτίο -1.

Σύμφωνα με τους κανόνες της χημείας, αλλά και σύμφωνα με την κοινή λογική, το χλώριο και το νάτριο αντιδρούν πάντα σε αναλογία ένα προς ένα, και το μόνο προϊον που μπορεί να προκύψει από την αντίδραση είναι το NaCl, γνωστό περισσότερο ως μαγειρικό αλάτι.

Η νέα μελέτη δείχνει ότι ο κανόνας αυτός παύει να ισχύει σε συνθήκες υψηλής πίεσης. «Ανακαλύψαμε τρελές ενώσεις που αψηφούν τα βιβλία της Χημείας: NaCl3, NaCl7 Na3Cl2, Na2Cl και Na3Cl» αναφέρει ο Ουέιουεϊ Ζανγκ, συνεργάτης του Ογκάνοφ.

«Οι ενώσεις αυτές είναι θερμοδυναμικά σταθερές και, από τη στιγμή που θα δημιουργηθούν, διατηρούνται επ΄αόριστον. Κι όμως, η κλασσική χημεία απαγορεύει την ύπαρξή τους» συνεχίζει ο Ουέιουεϊ.

Η δομή του NaCl3 (Credit: Artem Oganov)

Η δομή του NaCl3 (Credit: Artem Oganov)

Ένας ακόμα κανόνας που παραβιάζεται από τις νέες μορφές αλατιού είναι ο λεγόμενος νόμος της οκτάδας, σύμφωνα με τον οποίο τα περισσότερα άτομα ενώνονται μεταξύ τους με τέτοιο τρόπο ώστε καθένα από αυτά να φέρει οκτώ ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα του.

«Ε, λοιπόν, ο κανόνας αυτός εδώ δεν ικανοποιείται» επισημαίνει ο ερευνητής.

Οι νέες, εξωτικές μορφές του αλατιού είχαν προβλεφθεί σε προηγούμενες, θεωρητικές μελέτες του δρ Ογκάνοφ. Αυτή τη φορά η ομάδα του κατάφερε να τις δημιουργήσει στο εργαστήριο σε συνθήκες υψηλής πίεσης, γύρω στις 200.000 ατμόσφαιρες.

Όπως είχε προβλέψει ο Ογκάνοφ, η ανάμειξη NaCl με μεταλλικό νάτριο και η συμπίεση του μείγματος κάτω από ένα διαμαντένιο αμόνι σε υψηλή θερμοκρασία δίνει τελικά ενώσεις πλούσιες σε νάτριο, όπως το Na3Cl. Ομοίως, η ανάμειξη αλατιού με καθαρό χλώριο σε συνθήκες υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας δίνει ενώσεις πλούσιες σε χλώριο, όπως το NaCl3.

Και η ανακάλυψη αυτών των εξωτικών ενώσεων δεν έχει μόνο θεωρητικό ενδιαφέρον. Σύμφωνα με τους ερευνητές, ένα από τα νέα υλικά, το Na3Cl, αποτελείται από αλλεπάλληλα στρώματα NaCl και καθαρού νατρίου. Το νάτριο άγει το ηλεκτρικό ρεύμα, ενώ το NaCl λειτουργεί ως μονωτής. Τέτοια υλικά στα οποία το ηλεκτρικό ρεύμα κινείται μόνο σε ένα επίπεδο θα μπορούσαν να έχουν εφαρμογές στην ηλεκτρονική.

Σύμφωνα όμως με τον Ογκάνοφ, το σημαντικότερο είναι ότι ορισμένοι «νόμοι» της Χημείας αποδεικνύονται απλοί κανόνες και όχι απαράβατες αρχές.

Όπως λέει ο ίδιος, η κλασική Χημεία θεωρεί ότι ορισμένες ενώσεις είναι «αδύνατο» να υπάρξουν επειδή τα επίπεδα ενέργειας στα μόριά τους θα ήταν πολύ υψηλή. Η φύση, αντίθετα, ευνοεί το σχηματισμό μορίων με όσο γίνεται χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας.

Όπως δείχνει η μελέτη, αυτό δεν ισχύει πάντα -οι καταστάσεις υψηλής ενέργειας είναι μεν πιο απίθανο να εμφανιστούν, όχι όμως αδύνατο.

»Οι κανόνες της Χημείας δεν είναι σαν τα θεωρήματα των μαθηματικών, τα οποία είναι απαραβίαστα» λέει ο Ογκάνοφ.

«Οι κανόνες της Χημείας είναι δυνατόν να παραβιαστούν, αφού όταν λέμε «αδύνατο» εννοούμε στην πραγματικότητα «ελαφρώς αδύνατο». Απλώς πρέπει να βρει κανείς τις συνθήκες στις οποίες οι κανόνες παύουν να ισχύουν».
Newsroom ΔΟΛ –  ww.sciencedaily.com

========
(νεώτερη ενημέρωση 27-1-2013)

Τα διαμαντένια αμόνια και το παράξενο αλάτι

Περίεργοι δεσμοί μεταξύ των ατόμων μπορούν να σχηματιστούν υπό… πίεσιν

Το κοινό μαγειρικό αλάτι είναι το κλασικό παράδειγμα που δίνουν τα σχολικά και πανεπιστημιακά βιβλία Χημείας για το πιο απλό είδος χημικού δεσμού μεταξύ ατόμων. Ενα άτομο νατρίου με ένα άτομο χλωρίου συνδυάζονται για να δώσουν ένα μόριο χλωριούχου νατρίου, όπως είναι η επιστημονική ονομασία του μαγειρικού αλατιού. Οπως όμως έδειξαν πρόσφατα πειράματα, αυτός δεν είναι ο μοναδικός τρόπος χημικής ένωσης μεταξύ νατρίου και χλωρίου. Σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλής πίεσης είναι δυνατό να ενωθούν τρία άτομα χλωρίου με ένα άτομο νατρίου ή τρία άτομα νατρίου με ένα άτομο χλωρίου, σχηματίζοντας εντελώς ευσταθείς χημικές ενώσεις. Με αποτελέσματα αυτού του είδους, ανοίγουν νέοι δρόμοι όχι μόνο στην καθαρή Χημεία και σε χρήσιμες σχετικές καινοτομίες, αλλά και στην κατασκευή καλύτερων θεωρητικών μοντέλων για την εσωτερική δομή των πλανητών.

Η σημασία της ελάχιστης ενέργειας

Από το σχολείο γνωρίζουμε ότι ο πυρήνας ενός ατόμου είναι θετικά φορτισμένος λόγω των πρωτονίων που περιέχει, ενώ γύρω από αυτόν κινούνται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια σε «στρώσεις» που ονομάζονται στιβάδες. Ο κανόνας για τη δημιουργία ευσταθών χημικών ενώσεων είναι ότι τα άτομα «επιθυμούν» να έχουν οκτώ ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα τους. Το νάτριο έχει στην εξώτατη στιβάδα ένα ηλεκτρόνιο και το χλώριο έχει στην εξώτατη στιβάδα επτά. Ετσι το νάτριο «δίνει» το μοναδικό ηλεκτρόνιο της εξώτατης στιβάδας του στο χλώριο και απομένει με οκτώ ηλεκτρόνια στην αμέσως κατώτερη στιβάδα, που τώρα έχει γίνει εξώτατη, ενώ παράλληλα φορτίζεται θετικά. Αντίστοιχα το χλώριο «παίρνει» το ηλεκτρόνιο και συμπληρώνει οκτώ ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα του, ενώ παράλληλα φορτίζεται αρνητικά. Τα δύο άτομα έλκονται μεταξύ τους επειδή είναι ετερώνυμα φορτισμένα και έτσι δημιουργείται ένα μόριο χλωριούχου νατρίου, που συμβολίζεται ως NaCl.

Η θεωρία όμως δεν αποκλείει, καταρχήν, την περίπτωση όπου τα άτομα του νατρίου και του χλωρίου κάνουν άλλου είδους «συνεταιρισμούς» για να σχηματίσουν ευσταθείς ενώσεις. Εδώ υπεισέρχεται ένα άλλος κανόνας της Φυσικής, γενικότερος από τον κανόνα των ηλεκτρονικών οκτάδων. Είναι ο κανόνας σύμφωνα με τον οποίον τα διάφορα φυσικά συστήματα τείνουν να καταλήξουν στην κατάσταση της ελάχιστης ενέργειας. Αυτό το συναντάμε πολύ συχνά στην καθημερινή ζωή μας. Για παράδειγμα, το νερό της βροχής που πέφτει σε ένα βουνό τείνει να κυλήσει κατά μήκος της πλαγιάς του βουνού και να καταλήξει στο χαμηλότερο σημείο, στους πρόποδες του βουνού. Αυτός ο κανόνας όμως δεν είναι απόλυτος, αφού υπάρχουν λίμνες σε ψηλά βουνά, όπως για παράδειγμα είναι οι δρακολίμνες στα βουνά της Ηπείρου. Οι λίμνες αυτές σχηματίζονται χάρη στην ύπαρξη τοπικών κοιλοτήτων, όπου το νερό της βροχής συγκεντρώνεται στο τοπικά χαμηλότερο σημείο. Αν αναταράξουμε ισχυρά το νερό μιας δρακολίμνης, αυτό θα ξεχειλίσει και θα καταλήξει τελικά στο χαμηλότερο δυνατό σημείο, που είναι οι πρόποδες.

Αν θεωρήσουμε το ανάλογο του απλοποιημένου παραδείγματος των δρακολιμνών στην περίπτωση της χημικής ένωσης νατρίου και χλωρίου, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι, ενώ το γνωστό μαγειρικό αλάτι είναι σίγουρα η κατάσταση με τη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια, είναι ίσως δυνατό να σχηματισθούν και άλλες χημικές ενώσεις των δύο αυτών στοιχείων, που αντιστοιχούν σε τοπική ελάχιστη ενέργεια. Σύμφωνα με τις απόψεις του καθηγητή Αρτέμ Ογκανόφ (Artem Oganov) του Πανεπιστημίου Στόνι Μπρουκ, αν «καθοδηγήσουμε» τα άτομα διαφόρων χημικών στοιχείων έτσι ώστε να συνδεθούν σε μια ένωση που αντιστοιχεί σε τοπική ελάχιστη ενέργεια, είναι δυνατόν να καταλήξουμε σε ευσταθή μόρια που δεν σχηματίζονται αυθόρμητα στη φύση. Με βάση αυτές τις απόψεις ο καθηγητής Ογκανόφ είχε προβλέψει την ύπαρξη σταθερών χημικών ενώσεων του νατρίου με το χλώριο με διαφορετικό χημικό τύπο από το γνωστό μαγειρικό αλάτι.

Τα διαμαντένια αμόνια
Το αν όμως αυτές οι ενώσεις απαντώνται πραγματικά στη φύση ή όχι θα έπρεπε να εξετασθεί πειραματικά. Τα πειράματα διεξήχθησαν από τη συνεργάτιδά του Βεϊβέι Τσαγκ (Weiwei Zhang) με τη βοήθεια ενός πιεστηρίου με διαμαντένια αμόνια (diamond anvil cell), το οποίο επιτρέπει όχι μόνο την εφαρμογή εξαιρετικά υψηλών πιέσεων σε μικρά δείγματα αλλά και την ταυτόχρονη συνεχή παρατήρηση των δειγμάτων, για τον έλεγχο των αλλαγών που υφίστανται. Το όργανο αυτό αποτελείται από δύο στιλβαδάμαντες (μπριγιάν), η κωνική απόληξη των οποίων έχει κοπεί έτσι ώστε να σχηματίζεται μια επίπεδη έδρα πολύ μικρής διαμέτρου (μικρότερης από 1 χιλιοστό). Οι στιλβαδάμαντες αυτοί, τοποθετημένοι αντικριστά, αποτελούν τα διαμαντένια αμόνια της συσκευής. Το δείγμα τοποθετείται ανάμεσα στις δύο μικρές έδρες των διαμαντένιων αμονιών, τα οποία στη συνέχεια συμπιέζονται μηχανικά. Η πίεση, P που εφαρμόζεται μεταξύ των δύο αμονιών ισούται με τη μηχανική δύναμη, F, που εφαρμόζεται στα αμόνια, διαιρεμένη διά της επιφάνειας της κάθε πλευράς, A, δηλαδή P = F/A. Η υψηλή πίεση που πετυχαίνουμε με αυτή τη συσκευή οφείλεται τόσο στο ότι εφαρμόζουμε μεγάλη δύναμη (F) όσο και στο ότι η επιφάνεια (Α) του κάθε «αμονιού» είναι πολύ μικρή. Κατά τη διάρκεια του πειράματος μπορούμε να παρακολουθούμε συνεχώς το δείγμα, φωτίζοντάς το και παρατηρώντας το μέσα από τα διαμάντια, που είναι διαφανή.

Τοποθετώντας στη συσκευή χλωριούχο νάτριο μαζί με ελεύθερο χλώριο και εφαρμόζοντας πίεση «μόνο» 300.000 ατμοσφαιρών ο καθηγητής Ογκανόφ και η συνεργάτιδά του πέτυχαν τη σύνθεση της σταθερής ένωσης NaCl3 ενώ τοποθετώντας αλάτι μαζί με ελεύθερο νάτριο και εφαρμόζοντας παρόμοια πίεση πέτυχαν τη σύνθεση της επίσης σταθερής ένωσης Na3Cl. Ειδικά η τελευταία χημική ένωση έχει πολύ περίεργη κρυσταλλική δομή, αφού αποτελείται από διαδοχικά επίπεδα «κλασικού» χλωριούχου νατρίου και καθαρού μεταλλικού νατρίου. Με τον τρόπο αυτόν θα μπορούμε στο μέλλον να παρασκευάσουμε δισδιάστατα μεταλλικά υλικά, με ιδιότητες συμπληρωματικές αυτών του γραφενίου, του δισδιάστατου υλικού από άνθρακα που έχει αρχίσει να βρίσκει πλήθος εφαρμογών.

Ταξίδι στον πυρήνα της Γης
Τελειώνοντας, θα πρέπει να επισημάνουμε ότι τα διαμαντένια αμόνια έχουν και πολλές άλλες εφαρμογές, πέρα από τη σύνθεση «εξωτικών» μορίων. Για παράδειγμα, επειδή η πίεση που επιτυγχάνεται με αυτή τη συσκευή μπορεί να φτάσει άνετα τα 2 εκατομμύρια ατμόσφαιρες, τιμή που βρίσκεται κοντά στην πίεση που υπάρχει στο κέντρο της Γης, μπορούμε να μελετήσουμε τις ιδιότητες του σιδήρου και του νικελίου, από τα οποία αποτελείται ο πυρήνας της Γης, σε συνθήκες παρόμοιες με αυτές που επικρατούν στο κέντρο της Γης. Διαπιστώθηκε ότι το σημείο τήξης του σιδήρου σε πίεση όση στο κέντρο της Γης είναι 6.000oC, περίπου κατά 1.000 βαθμούς υψηλότερο από όσο υπολογίζαμε θεωρητικά ως σήμερα και κατά 4.700 βαθμούς υψηλότερο από το σημείο τήξης του σιδήρου σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Με βάση αυτό το στοιχείο και τα αποτελέσματα σεισμολογικών ερευνών, που δείχνουν ότι ο πυρήνας της Γης είναι σε ρευστή μορφή, μπορούμε να υπολογίσουμε ότι η θερμοκρασία του είναι επίσης 6.000oC. Με παρόμοιο τρόπο μπορούμε να υπολογίσουμε τη θερμοκρασία των πυρήνων και άλλων πλανητών, αν γνωρίζουμε τη χημική τους σύσταση και τη φυσική τους κατάσταση.

Χάρης Βάρβογληςtovima.gr

Posted in: ΧΗΜΕΙΑ