поиск по 1155113 познавательным статьям и фото

Молекулы кислорода способны выдерживать невероятно высокие давления

Используя компьютерное моделирование, исследователи из Рурского университета в Бохуме (Германия) показали, что молекулы кислорода остаются стабильными при давлениях до 1,9 ТПа, что примерно в 19 млн раз выше атмосферного. При более высоких давлениях происходит полимеризация молекул кислорода.

Джиан Сан, сотрудник кафедры теоретической химии, считает этот факт абсолютно удивительным. Дело в том, что другие столь же простые молекулы, такие как водород или азот, подобных давлений не выдерживают. Удивляет и поведение кислорода при повышенных давлениях: так, его электрическая проводимость сначала увеличивается, а затем уменьшается, прежде чем не начнёт возрастать вновь.

Подробно с результатами теоретических изысканий г-на Сана и его коллег можно ознакомиться в журнале Physical Review Letters.

Хорошо известно, что молекула кислорода О2 содержит двойную связь, которая удерживает оба атома вместе. Молекула же азота N2 скреплена тройной связью. Вполне резонно было бы предположить, что двойную связь разорвать куда проще, чем тройную, а значит, именно молекула кислорода должна бы полимеризоваться при более низких давлениях. В жизни всё оказалось наоборот, и это немало удивило учёных. Структуры твёрдого кислорода: полупроводящие полимерные структуры (слева); зигзагообразные цепи (в середине); параллельные металлические слои (справа). Цветом показана плотность заряда. (Иллюстрация Jian Sun.)

Но в конденсированной фазе, когда молекулы становятся ближе друг к другу, в игру вступают силы ближнего взаимодействия, и тут оказывается, что молекула кислорода способна защищать себя от посягательств соседей гораздо эффективнее, чем тот же азот. По мнению г-на Сана, одним из ключевых факторов устойчивости молекулы является наличие неподелённых пар электронов, которые экранируют её от соседей, не позволяя сближаться. В англоязычной литературе такие неподелённые пары в молекулах называют lone pair («одинокая пара») — и есть за что. Даже в обычных условиях молекулярная орбиталь такой пары сильно вытянута и требует как можно больше свободного пространства, расталкивая остальных заместителей. Именно поэтому молекула аммиака NH3 пирамидальная, а не плоская. Так, у каждого атома кислорода в молекуле по две неподелённые пары, в то время как у азота — одна. Следовательно, сила отталкивания между молекулами кислорода будет выше, что и делает его полимеризацию более трудной. Конечно, не стоит забывать и о силе связей в молекулах: если связи слабые, никакие неподелённые пары не помогут спасти молекулу. Очевидно, речь идёт о правильной комбинации числа обоих факторов — неподелённых пар электронов и энергии межатомного взаимодействия в молекуле.

При высоких давлениях газы вроде водорода, монооксида углерода или азота полимеризуются в цéпи, слои или образуют каркасные структуры. При этом их проводимость обычно возрастает с увеличением давления, вплоть до металлической. А вот с кислородом всё гораздо сложнее. При нормальных условиях он изолятор. Если давление повышается, кислород металлизируется и постепенно переходит в сверхпроводящее состояние. При дальнейшем росте давления его структура становится полимерной, и кислород превращается в полупроводник. Если давление и дальше повышается, кислород снова приобретает металлические свойства, при этом его структура трансформируется сначала в зигзагообразные цепи, а затем в структуру, содержащую металлические слои (как показано на иллюстрации).

Заметим, что полимеризация малых молекул под воздействием высоких давлений интересует научное сообщество в силу того, что помогает понять фундаментальные химические и физические принципы геологических и планетарных процессов. Например, давление в центре Юпитера оценивается в 7 ТПа. Также было обнаружено, что полимерные молекулы азота или углекислого газа обладают высокой удельной энергоемкостью и сверхпрочностью.


Источник: Compulenta @01.02.2012

Оцените статью:

Теги


Используй свой мобильный - сохрани эту страницe и расскажи о ней друзьям!
Зарегистрируйтесь или представьтесь чтобы комментировать каждый абзац любой новости!