Слева - NaCl, справа - NaCl7.
Я хочу поздравить всех двоечников, которые лили слезы на уроках химии, и разочаровать отличников, свято верующих в ее законы.
Я задам вам один очень простой химический вопрос: какова формула хлорида натрия, то есть поваренной соли?
Прям лес рук. Немного знающие химию люди ответят NaCl и будут абсолютно правы. Но есть одна теория, согласно которой могут существовать соединения типа Na2Cl, NaCl3, NaCl5, NaCl7 и многие другие. В декабре 2013 года вышла статья под руководством Артема Оганова, в которой дано не только теоретическое предсказание существования таких соединений, но и экспериментальное их подтверждение и получение.
Вы можете задать очень точный, многогранный и животрепещущий вопрос: "Че?". Именно на него я и собираюсь дать развернутый ответ.
Ну а также расскажу вам немного о запрещенной химии, о том, как работает эволюционный алгоритм, что с помощью него удалось найти, как меняются свойства атомов под давлением, какой элемент самый инертный (гелий? пффф), как объяснить нарушение химических правил и про практическую пользу этих соединений.
Не переживайте, все будет наглядно и просто.
Представления о валентности позволяют из простых соображений предсказать, сколько связей атом будет образовывать. Ну или иными словами, сколькими руками он сможет вцепиться в другие атомы. Не всегда это точно работает, но более или менее мы знаем, сколько электронов каждый атом использует для образования химической связи. Благодаря этому мы можем предсказать во многих случаях химические формулы вещества. Например, почему оксид кремния - SiO2, а не SiO4.
Рассмотрим два элемента — натрий и хлор. Натрий содержит на внешней электронной оболочке всего 1 электрон. Хлору же не хватает именно 1 электрона, чтобы заполнить эту электронную оболочку, тем самым принять устойчивую форму. Поэтому хлор пытается этот электрон откуда-то раздобыть. Когда натрий и хлор встречаются, самое естественное, если натрий отдаст свой электрон хлору.
Они вдвоем как любовная парочка - идеально подходят друг для друга. Один обладает тем, чего не хватает другому. Всем бы таких отношений!
Натрий приобретет заряд +1, хлор приобретет заряд -1, и единственный способ, единственная пропорция, в которой эти два элемента могут сочетаться, — это один к одному, иначе электрической нейтральности не будет.
Но при давлениях, начиная с 20 гигапаскалей (ГПа), это 200 тысяч атмосфер, начнут образовываться соединения, которые полностью противоречат тому, что я только что сказал, и устойчивыми станут соединения Na3Cl, Na2Cl, Na3Cl2, NaCl3 и NaCl7 — такой вот букет соединений.
Почему так происходит? Дело в том, что правила химии, которые мы знаем по учебникам, были сформулированы на основе анализа огромного массива экспериментальных данных при нормальных условиях. При нормальных условиях наиболее устойчивой формой вещества является та форма, у которой наименьшая энергия.
Тут как и в жизни: мы хотим прилагать как можно меньше усилий, то есть тратить как можно меньше энергии, чтобы добиться какого-то положения. Ходить пешком слишком лениво, поэтому мы пользуемся машиной или же лежим дома в постели, ни с кем не контактируя.
Так вот, давление является дополнительным членом энергии, который в учет при нормальных условиях не брали - значение давления на нашей земле по сравнению с энергией связи слишком мало. И те правила, которые были рассчитаны только лишь на энергию, уже не действуют: надо учитывать плотность упаковки и многое-многое другое.
Конечно же, речь идет не только о хлоридах натрия - практически в любой химической системе будут образовываться новые соединения, которые не поддаются традиционным правилам химии. Под очень высоким давлением образуются такие соединения как Mg3O2, K5Cl4, K3Cl5. Уверен, они вызовут когнитивный диссонанс у каждого учителя химии, а может и сердечный приступ.
Так, под давлением в 1 млн. атмосфер кислород становится сверхпроводником, а натрий при 2 млн. атмосфер перестает быть щелочным металлом, становясь прозрачным диэлектриком.
Ладно еще кислород - о его слабых магнитных свойствах и так было известно, поэтому представить его сверхпроводником не так уж и сложно, но вот за натрий обидно вообще.
При десятках миллионов атмосфер периодический закон совсем перестает действовать.
Что происходит при таком большом давлении? Сейчас попробую объяснить.
Учителя химии в школе и университете говорят, что остовные (внутренние) электроны не важны, важны только валентные (внешние). Теперь разберем, о чем я. За пару минут придумал интересную аналогию электронной конфигурации атома. Секите:
Представьте, что атом - это футбольное поле. Болельщики (внутренние, остовные электроны) участия в самой игре не принимают: они просто сидят, существуют, при этом не оказывая никакого влияния на игру футболистов (внешних, валентных электронов). Так вот, при нормальных условиях все именно так. Но под давлением атомы настолько сильно наезжают друг на друга, что остовы (болельщики) начинают перекрываться, выталкивают валентные электроны (футболистов) пинками. Когда остовы перекрываются, валентному электрону ничего не остается, как убежать в пустое пространство и закрыться там наглухо (себе в раздевалку). И вот эти жестко локализованные валентные электроны уже не могут двигаться, не могут прыгать. Они закрыты в узком пространстве и только там могут жить.
Именно поэтому натрий перестает быть металлом, так как электроны в нем не передают электрический ток
Но стоит заметить, что запрещенная химия возникает не только при высоких давлениях, но и при любых других экстремальных условиях.
В зависимости от способа расположения атомов свойства веществ будут разные. Например, углерод имеет 2 аллотропные модификации: графит - черный, сверхмягкий полуметалл, и алмаз - прозрачный, сверхтвердый полупроводник.
Без понимания и прогнозирования структуры мы не поймем свойства соединений.
Кристаллическую структуру веществ определяют с помощью рентгеновских лучей, длина которых сопоставима с размерами атомов. Лучи, взаимодействуя со структурой кристалла, отражаются и отклоняются на строго определенные позиции. Благодаря этому с помощью интересной математики можно определить, где в пространстве находятся атомы.
Определение структуры кристаллов с помощью дифракции
Израильский физик и химик Дан Шехтман опубликовал статью, в которой написал про то, что есть вещества без периодической повторяемости структуры. Его уволили, сказав, что нужно лучше знать кристаллографию. Как оказалось, он открыл новое состояние вещества - квазикристаллическое. Через 30 лет, как его уволили, он получил Нобелевскую премию. Сплав алюминия, кобальта и никеля как раз является квазикристаллическим.
Сплав алюминия, кобальта и никеля
Мы можем научиться предсказывать структуры веществ. Когда вы ищите наиболее устойчивую структуру, вам нужно перебрать всевозможные способы расположения атомов в пространстве, и найти тот, который обладает наименьшей энергией, т.е. наибольшей стабильностью. Этих способов - астрономически много. Число способов увеличивается экспоненциально с увеличением числа атомов.
Итак, нужно изобрести способ, который не перебирал бы каждый из возможных способов, а напрямую шел к правильному решению. Такой способ нашли, используя эволюционный алгоритм (ниже я объясню, что это) и квантовомеханические расчеты (а это не объясню, ха-ха) и называется он USPEX - Universal structure prediction: evolutionary Xtallography. С помощью решения уравнения Шредингера и эволюционного метода мы можем найти ту самую злосчастную иголку в стоге сена, то есть найти самое лучшее решение из триллионов и триллионов возможных вариантов.
Эволюционный алгоритм - это своего рода искусственный интеллект, сила которого в том, что он учится на своей собственной истории.
Что эволюционный алгоритм делает? Он не пытается постучаться во все двери, отметиться во всех точках. Он ощупывает всю область, прикидывает, где наиболее перспективные решения и максимум внимания посвящает именно им, тем самым шаг за шагом сужая область поиска и приходя к оптимальному решению. Не надо миллиардов решений - достаточно сотен. Благодаря этому алгоритму можно определить структуру соединений. А это вам не хухры-мухры.
Алгоритм расширили. Задали в него имена химических элементов: марганец и бор. Провели расчет - получили Mn2B, MnB, MnB4. Все эти соединения давно известны. Их структуры были правильно предсказаны одним расчетом. Но еще было предсказано соединение MnB3, который никто экспериментально никогда не видел. Теория предсказала что-то лишнее или экспериментаторы почему-то не заметили это соединение? Чтобы проверить, кто прав, посоветовали одному экспериментатору смешать 1 долю марганца и 3 доли бора, расплавить, охладить, и о чудо - получили MnB3 со структурой, которую предсказали. Таким же образом получили соединения Ca2C3 и Mg2C3. Но вот под давлением возникает масса новых соединений с крайне странными составами, например Ca5C2.
Необычные полученные данные
Большинство элементов становятся металлами под давлением. Могут возникать такие соединения как AlO2, Al4O7. Mg3O2, MgO2 и другие. Никель ведет себя как благородный газ, превращаясь в неметалл. Железо и кобальт становятся акцепторами электронов, то есть получают возможность принимать электроны. Должно появиться соединение MgFe, что может послужить началу нового типа соединений - ферридов. Натрий становится самым реакционно-способным элементом, даже сильнее цезия. Что самое удивительное: натрий - единственный элемент, который может прореагировать с гелием. Под давлением он образует устойчивое соединение Na2He. Это соединение является прозрачным диэлектриком, что было подтверждено экспериментально. Ну а самым инертным соединением станет неон, для тех, кто интересовался.
Имхо, запрещенная химия - это наше будущее. Химия вступила в цифровую эпоху - новые вещества и их свойства теперь открывают не в пробирке, а с помощью искусственного интеллекта. Это не только оказалось быстрей и дешевле, но и привело к революционным открытиям.
В наше время уже получили соединение бора, которое является одним из самых прочных веществ, известных человечеству. При снятии давления - оно остается, не распадается и его можно использовать.
Проблема хранения фтора до сих пор не решена. Перевозить фтор в контейнерах - очень опасно, так как он крайне токсичен и разъедает большинство контейнеров. Благодаря запрещенной химии появляются соединения типа CsF2, CsF3, CsF5, которые содержат больше фтора и которые можно спокойно отправить из точки А в точку Б.
Эти и многие другие соединения находят широкое применение в производстве и в научных сферах деятельности человека. Интерес к запрещенной химии не только фундаментальный, но и вполне прикладной.
Хочется сказать вот о чем - экспериментируйте. Как только человек выходит из зоны комфорта, из зоны, в которой все хорошо известно, из зоны привычных условий в непривычно экстремальные условия, то традиционные правила и устои рушатся. Человек всегда стремится к изучению нового, доселе неизведанного. Это и есть развитие, рост, прогресс. Не важно, кем вы являетесь: офисным работником, артистом или ученым, - важно лишь то, как вы расширяете для себя границы познания нашего с вами прекрасного и таинственного мира.
Источник: http://[домен telegraph у нас запрещен:(]/Teoriya-zapreshchennoj-himii-12-10
