Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Газета.ру: Первые ласточки новой химии

Ключевые слова:  USPEX, Натрий, Периодическая система, Термодинамика, Химия, Хлор

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

22 декабря 2013

Школьные учебники по химии нужно переписывать — к такому выводу пришел российский ученый Артем Оганов со своими коллегами, изучая кристаллические структуры из натрия и хлора. С помощью метода USPEX ученым удалось обнаружить, что совершенно невозможные с точки зрения правил химии соединения натрия и хлора существуют и вполне термодинамически стабильны.

В самом начале школьного курса химии нам рассказывают о том, что связи могут быть ковалентными или ионными, и в пример ионной связи приводят поваренную соль — NaCl. Один электрон от менее электроотрицательного натрия переходит к более электроотрицательному хлору, тот, согласно «правилу 8 электронов», обретает электронную конфигурацию благородного газа. По всем правилам NaCl — единственное соединение, которое может существовать в этой системе.

Переписать эту основополагающую главу наших учебников решились исследователи под руководством российского ученого Артема Оганова.

Оганов — выпускник геологического факультета, адъюнкт-профессор МГУ, основным местом работы которого сейчас является Университет штата Нью-Йорк в Стоуни-Бруке, где он профессор. Оганов сейчас также работает по мегагранту российского правительства в Московском физико-техническом институте — знаменитом Физтехе — в Долгопрудном.

В своей статье «Неожиданные стабильные хлориды натрия» (Unexpected stable stoichiometries of sodium chlorides) в свежем номере журнала Science они показали, что NaCl3 и NaCl7, Na3Cl, Na3Cl2, Na2Cl — совершенно невозможные с точки зрения правил химии соединения — существуют и вполне термодинамически стабильны. При определенных условиях среды.

«Мы знаем со школьной скамьи, что соединения, которые возможны и невозможны, очень часто можно сконструировать по зарядовому балансу. У хлора всегда заряд -1, у натрия +1, так что единственное соединение, которое возможно, — это NaCl. А, например, NaCl2 невозможен. Невозможен — и все. И NaCl5, и Na2Cl3 невозможен. Но эти структуры можно смоделировать на компьютере, рассчитать их энергию, посмотреть, насколько они энергетически невыгодны. Оказалось, что целый ряд «странных» соединений можно успешно стабилизировать, повысив давление», — говорит Оганов.

В корне изменяющие представление о химии структуры были рассчитаны с помощью метода предсказания кристаллических структур, разработанного Огановым, а сейчас используемого более 1500 ученых по всему миру.

Артем назвал свой метод USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xrystallography) — теперь русское слово «успех» известно кристаллографам и материаловедам во всем мире.

Экзотические соединения не только расширяют наши горизонты познания химии, но и могут принести ощутимую пользу в будущем. Так, NaCl7, NaCl3, Na3Cl2 и Na2Cl — металлы (так объясняется видимое несоблюдение электронейтральности — концепция зарядового баланса для них неприменима), а полупроводниковая — только одна из фаз NaCl3 (устойчивая в диапазоне давлений от 250 до 480 тыс. атмосфер). Металлический Na3Cl, устойчивый выше 480 тыс. атмосфер — особенный. Он состоит из слоев NaCl и слоев чистого натрия. Слои NaCl — диэлектрики, а слои натрия — проводники, поэтому этот материал имеет очень интересную двумерную проводимость. Такого рода вещества в последнее время показывают целый ряд интересных физических явлений.

«Я думаю, что должны найтись практические применения такого рода материалов. Единственная проблема — эти вещества устойчивы только при высоких давлениях.

Но я думаю, что можно создать другие экстремальные условия, при которых эти вещества можно получить.

Например, такие условия можно создать на поверхностях кристаллов. Поверхность — это тоже экстремальное состояние, где примерно половина связей разорваны, и известно, что химический состав на поверхностях кристаллов бывает совсем не тот, что в объеме», — говорит Оганов.

Новые хлориды натрия — не игра разума или изящный результат компьютерных вычислений. Физик-экспериментатор из Института Карнеги в Вашингтоне Александр Гончаров воспроизвел в лаборатории высокие давления, необходимые для стабилизации нестандартных хлоридов натрия, и напрямую подтвердил существование тех соединений, что предсказал USPEX. Вообще авторский коллектив работы — интернациональный, ее первый автор — Вэйвэй Чжан из КНР, стажерка американской лаборатории Оганова.

Оганов полагает, что найденные новые фазы — не занятное исключение, а «первые ласточки новой химии».

Причем соединения, не существующие в природе в земных условиях, вполне возможно, весьма распространены в центре нашей планеты и на других небесных телах. Там как раз неимоверно высокие давления — обычное дело.

«Я думаю, что такое вещество, как NaCl, не может быть исключением, скорее мы имеем дело с новым классом соединений, которые будут возникать в огромном множестве систем. Мы это уже подтвердили для KCl, где фазовая диаграмма еще более богатая. И сейчас у нас уже есть предсказание для системы магний-кислород, где мы предсказываем два соединения — MgO2и Mg3O2. Такие соединения могут существовать в планетных недрах. Мы предполагаем, что в недрах Земли силикат магния — это MgSiO3. Мы всегда так считали, а сейчас возникает вопрос: а может быть, это не так? А если даже в недрах Земли это так, то уже в каменном ядре Юпитера это вполне могут быть совсем необычные силикаты», — предполагает Оганов.

Несмотря на экспериментальное подтверждение существования новых веществ, понять природу их стабильности удается не сразу.

«Нам удалось разобраться со строением Mg3O2. Это неметалл, у него аниондефицитная структура, кислорода там меньше, чем магния. Позиции, которые пусты между атомами магния, занимаются междуузелными электронами. Получается отчасти ионная структура», — пояснил ученый.

Интернациональный коллектив лаборатории Оганова в МФТИ, в частности, изучает природу химической связи в новых «невозможных» соединениях. Эти работы — ключ к объяснению их свойств и конструированию веществ с заранее заданными полезными особенностями.

Материал подготовлен отделом науки «Газеты.Ru» и МГУ в рамках сотрудничества с «Фестивалем науки».


Источник: Газета.ру




Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Клевер
Клевер

Приглашение на вебинар «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»
НТ-МДТ Спектрум Инструментс приглашает Вас принять участие в бесплатном вебинаре «Комбинация АСМ и оптических методик: новые достижения и приложения»

Наносистемы: физика, химия, математика (2019, том 10, № 1)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume10/10-1
Там же можно скачать номер журнала целиком.

XXI Менделеевский съезд по общей и прикладной химии,
Уважаемые коллеги! Приглашаем вас принять участие в работе XXI Менделеевского съезда по общей и прикладной химии, который состоится с 9 по 13 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге и станет одним из основных мероприятий Международного года Периодической таблицы химических элементов, провозглашённого ООН в декабре 2017 г.
Проводится под эгидой Международного союза по теоретической и прикладной химии (IUPAC).

Микроэлементарно, Ватсон: как микроэлементы действуют на организм
Алексей Тиньков
Как на нас воздействуют кадмий, ртуть, цинк, медь и другие элементы таблицы Менделеева рассказал сотрудник кафедры медицинской элементологии РУДН Алексей Тиньков в интервью Indicator.Ru

Зимняя научная конференция студентов 4 курса ФНМ МГУ 22-23 января 2019 г.
Сафронова Т.В.
Настоящий сборник содержит тезисы докладов зимней научной студенческой конференции студентов 4-го курса ФНМ

Самые необычные таблицы Менделеева на выставке Международного года Периодической таблицы химических элементов

6-8 февраля в Российской академии наук состоялось торжественное открытие Международного года периодической таблицы химических элементов в России и приуроченная к этому масштабная интерактивная выставка

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.