Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego oraz Cornell University przewidzieli nietypowe zachowanie jednego z najprostszych związków gazów szlachetnych - dwufluorku ksenonu. Wyniki ich badań, opublikowane w najnowszym wydaniu czasopisma Inorganic Chemistry, wskazują, iż pod ciśnieniem dwóch milionów atmosfer ten kowalencyjny związek powinien przekształcić się w kryształ jonowy.
Przez ponad sześć dekad od ich odkrycia pod koniec XIX wieku gazy szlachetne (hel, neon, argon, krypton, ksenon oraz radon) były uznawane za niezdolne do tworzenia związków chemicznych. Pogląd ten został obalony w 1962 roku w wyniku pierwszej syntezy związku zawierającego ksenon. Jednym z najbardziej trwałych połączeń tego pierwiastka jest jego dwufluorek (XeF2), związek rzadki lecz znajdujący praktyczne zastosowanie przy produkcji mikroukładów krzemowych.
Dominik Kurzydłowski oraz dr. hab. Wojciech Grochala z Uniwersytetu Warszawskiego przeprowadzili razem z Roaldem Hoffmannem z Cornell University symulację komputerową, podczas której XeF2 został poddany ciśnieniu dwóch milionów atmosfer (200 GPa). Bezpośrednią motywacją ich badań była weryfikacja wcześniejszych wysokociśnieniowych danych eksperymentalnych, które zostały opublikowane w lipcu 2010 roku w czasopiśmie Nature Chemistry przez naukowców z Washington State University.
W tym nowatorskim eksperymencie dwufluorek ksenonu był stopniowo ściskany do ciśnień rzędu miliona atmosfer. Zebrane dane wskazywały, iż struktura tego związku podlega znacznym zmianom podczas tego procesu. "Przedstawione struktury nie były do końca przekonywujące z chemicznego punktu widzenia" - mówi Roald Hoffmann.
Symulacje komputerowe, dużo tańsze i łatwiejsze do przeprowadzenia niż skomplikowany wysokociśnieniowy eksperyment, wskazywały, iż eksperymentaliści mogli popełnić błąd podczas interpretacji otrzymanych przez nich danych. "Poprzez dokładne porównanie naszych wyników oraz danych pochodzących z eksperymentu byliśmy w stanie wskazać, gdzie może tkwić ten błąd" - wyjaśnia Dominik Kurzydłowski, doktorant Wojciecha Grochali, i dodaje - "ale najciekawsze wyniki otrzymaliśmy symulując zachowanie XeF2 pod ciśnieniem przeszło dwa razy większym niż to otrzymane w eksperymencie".
Jonowa struktura XeF2 pod wysokim ciśnieniem. Fioletowe cylindry oznaczają kationy XeF+, czerwone kule aniony F-.
Okazało się, iż w takich warunkach dwufluorek ksenonu tworzy kryształ zbudowany z kationów XeF+ oraz anionów F-. "Pod ciśnieniem atmosferycznym XeF2 jest liniową molekuła zawierającą dwa wiązania kowalencyjne Xe-F. Nasze wyniki wskazują, iż jeśli tylko ścisnąć ten
związek wystarczająco mocno musi on "poświęcić" jedno z tych wiązań, i zastąpić je wiązaniem jonowym. W ten sposób atomy mogą się lepiej upakować a co za tym idzie obniżyć swoją energię." - mówi Grochala. Taka nietypowa przemiana nigdy dotąd nie była opisana dla związku gazu szlachetnego. "Wszystko to pokazuje, jak bardzo wysokociśnieniowa chemia różni się od tej, którą znamy pod ciśnieniem atmosferycznym" - podsumowuje Hoffmann.
Źródło informacji: Uniwersytet Warszawski
Referencje dokumentu: Freezing in resonance structure for better packing: XeF2 becomes
(XeF+)(F-) at large compression
|
