Denník N

Slovenská vedkyňa prispela k príprave prvej stabilnej zlúčeniny hélia so sodíkom

Kryštálová štruktúra Na2He, prvej stabilnej zlúčeniny hélia. Foto – Nature Chemistry
Kryštálová štruktúra Na2He, prvej stabilnej zlúčeniny hélia. Foto – Nature Chemistry

Zlúčenina Na2He bola pripravená pod veľmi vysokými tlakmi. Ide o objav, ktorý zmení definíciu inertnosti (nereaktivity) atómov a pravdepodobne prepíše učebnice.

Prvá vec, ktorú sa stredoškoláci učia na periodickej tabuľke prvkov, sú jej pravidlá. Prvky v tabuľke sú zoradené podľa stúpajúceho atómového čísla, teda podľa narastajúceho počtu protónov v jadre.

Tabuľka sa skladá z osemnástich skupín, poslednou z nich je skupina vzácnych plynov. Tvoria ju hélium, neón, argón, kryptón, xenón a radón. Ide o bezfarebné plyny bez zápachu s veľmi nízkou reaktivitou. Hélium je natoľko nereaktívne, že doteraz neboli známe žiadne jeho stabilné zlúčeniny.

„Pravidlá sú nato, aby sa porušovali“, toto tvrdenie platí, samozrejme, aj v chémii. Medzinárodnej skupine vedcov, ktorej súčasťou bola aj slovenská vedkyňa Zuzana Konôpková, sa totiž podarilo pripraviť prvú stabilnú zlúčeninu hélia, Na2He.

Výsledky, ktoré by mohli prepísať učebnice, uverejnili tento rok v časopise Nature Chemistry.

Prvá zlúčenina hélia?

Za inertnosťou vzácnych plynov stojí stavba ich valenčnej elektrónovej vrstvy. Ide o najvzdialenejšiu vrstvu elektrónov od atómového jadra, ktorá je ešte schopná tvoriť chemickú väzbu. Ak bola podľa doterajších znalostí táto vrstva zaplnená, nebolo možné vytvoriť stabilné väzby.

Pri niektorých z inertných plynov sa uvedené pravidlo podarilo porušiť, najmä ak sa počas prípravy aplikoval vysoký tlak. Existujú preto zlúčeniny kryptónu, radónu, argónu aj xenónu.

S héliom sa zatiaľ nepodarilo pripraviť žiadnu stabilnú zlúčeninu, práve z dôvodu jeho uzavretého elektrónového obalu. Pokusy o prípravu jeho zlúčenín existujú, výsledkom však nebola stabilná látka.

Zuzana Konôpková vo svojej pracovni. Foto – archív Z. K.

Tím vedcov pod vedením Artema Oganova preskúmal, ktoré prvky z periodickej sústavy by mohli teoreticky vytvoriť stabilnú zlúčeninu.

Ako pre Denník N vysvetlila Zuzana Konôpková, ktorá pracovala na experimentálnej časti projektu, „experimenty boli vedené teoretickými výpočtami, ktoré predpovedali, že hélium by mohlo vytvoriť stabilnú zlúčeninu práve so sodíkom. Teoretici k tomuto záveru dospeli vyskúšaním všetkých možných kandidátov, ako kyslík, draslík, horčík, fluór či lítium“.

Po identifikovaní sodíka ako kandidáta na reakciu prešli vedci k experimentom. Za použitia veľmi vysokého tlaku napokon pripravili látku Na2He.

Periodická tabuľka (sústava) chemických prvkov:

je spôsob usporiadania chemických prvkov v tabuľke podľa ich rastúceho atómového čísla, teda počtu protónov v jadre. Skladá sa z 18 skupín (stĺpce) a zatiaľ zo siedmich riadkov. Prvky nachádzajúce sa v rovnakej skupine majú podobné vlastnosti, napríklad skupinu číslo 17 tvoria halogény, skupinu číslo 18 zase vzácne plyny.

Prvým vzácnym plynom tejto skupiny je hélium, ktoré sa využíva v časticovej fyzike aj v raketovom výskume. Hélium sa používa na chladenie supravodivých magnetov v skeneroch. Teplota, ktorá sa vďaka héliu dosahuje, je –269 °C, čo sa využíva aj na dosiahnutie extrémne nízkych teplôt potrebných na kvantové experimenty či na chladenie obrovských magnetov používaných počas urýchľovania častíc (napríklad v CERN-e).

S héliom sa môžete stretnúť aj v bežnom živote, napríklad v nemocniciach pri MRI skenoch. Používa sa ako inertný plyn počas zvárania, počas výroby polovodičov, prevádzky teleskopov či pri testoch materiálov, ktoré majú vydržať vplyv extrémne vysokých alebo nízkych tlakov. Uplatnenie nachádza aj počas výroby LCD displejov či optických vlákien. Doteraz neboli známe žiadne jeho zlúčeniny, bolo totiž vysoko nereaktívne.

Veľmi vysoký tlak

Nová zlúčenina hélia a sodíka je stabilná pri tlakoch vyšších ako 113 gigapascalov. „Niektoré materiály, ktorých príprava prebieha pri vysokých tlakoch, si svoju podobu udržia aj po odstránení tlaku. Najznámejším príkladom je diamant,“ vysvetlila Konôpková.

Zlúčenina Na2He po odobratí tlaku svoju štruktúru síce stráca, no to vedcom nezabránilo, aby určili kryštálovú štruktúru látky s využitím röntgenovej štruktúrnej analýzy.

Ukázalo sa, že za vysokých tlakov sa atómy sodíka usporadúvajú do kociek Na8 (atóm sodíka sa nachádza v každom rohu kocky). Každá druhá takáto sodíková kocka obsahuje vo svojom strede jeden atóm hélia. Zvyšné kocky obsahujú nezvyčajnú väzbu medzi ôsmimi atómami, ktorá je tvorená iba dvoma elektrónmi. Práve táto väzba je pravdepodobne zodpovedná za stabilitu výslednej zlúčeniny.

Materiálom, ktoré obsahujú takéto väzby, sa hovorí „elektridy“. „Takáto špecifická štruktúra s pozitívne nabitými iónovými jadrami a lokalizovanými elektrónmi, ktoré hrajú rolu aniónov, sa nazýva elektrid. Stabilná je pod tlakmi vyše sto gigapascalov, pravdepodobne však až do jedného terapascalu,“ vraví Konôpková.

Význam pre astrofyziku a fyziku planét

Najväčšou motiváciou výskumu materiálov vznikajúcich v extrémnych podmienkach je podľa Konôpkovej geofyzika, fyzika planét a astrofyzika. „Planéty sú tvorené materiálom, ktorý tiež existuje pod vysokým tlakom. Chemické a fyzikálne procesy prebiehajúce v týchto materiáloch sú iné, než aké poznáme u nás na Zemi. Tieto procesy majú vplyv na štruktúru planét, ich farbu či vlastnosti magnetického poľa okolo nich,“ vysvetlila Konôpková.

Skúmanie vlastností látok v exotických podmienkach, napríklad za vysokého tlaku alebo teploty, poskytuje jedinečnú možnosť skúmať ich aj u nás na Zemi. Výskum pomáha predpovedať vlastnosti planét v našej slnečnej sústave či dokonca vlastnosti exoplanét.

Dostupné z doi: 10.1038/nchem.2716

Ak má pre vás práca našich novinárov pred prezidentskými voľbami väčšiu hodnotu, ako je cena predplatného, môžete ich podporiť aj darom. Vopred ďakujeme 🫶

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Slovensko, Veda

Teraz najčítanejšie