Молекули кисню залишаються стабільними при тиску до 1,9 ТПа

Використовуючи комп’ютерне моделювання, дослідники з Рурського університету в Бохумі (Німеччина) показали: молекули кисню залишаються стабільними при тиску до 1,9 ТПа, що приблизно 19 млн разів вище атмосферного. При більш високих показниках відбувається полімеризація молекул кисню.

Джіан Сан, співробітник кафедри теоретичної хімії, вважає цей факт абсолютно дивним. Справа в тому, що інші настільки ж прості молекули, такі як водень або азот, такого тиску не витримують. Дивує і поведінку кисню в подібних ситуаціях: так, його електрична провідність спочатку збільшується, а потім зменшується, перш ніж почне знову зростати.

Детально з результатами теоретичних досліджень м-на Сяну і його колег можна ознайомитися в журналі Physical Review Letters.

Добре відомо, що молекула кисню О2 містить подвійну зв’язок, яка утримує обидва атома разом. Молекула ж азоту N2 скріплена потрійним зв’язком. Цілком резонно було б припустити, що подвійну розірвати куди простіше — а значить, саме молекула кисню повинна б полімеризовані при більш низькому тиску. У житті все виявилося навпаки, і це чимало здивувало вчених.

Структури твердого кисню: полупроводящие полімерні структури (ліворуч); зигзагоподібні ланцюги (в середині); паралельні металеві шари (праворуч). Кольором показана щільність заряду. (Ілюстрація Jian Sun.)

Але в конденсованій фазі, коли молекули стають ближче один до одного, в гру вступають сили близького взаємодії, і тут виявляється, що молекула кисню здатна захищати себе від зазіхань сусідів набагато ефективніше, ніж азот. На думку р-на Сяну, одним з ключових факторів стійкості молекули є наявність неподеленных пар електронів, які екранують її від сусідів, не дозволяючи зближуватися. В англомовній літературі такі неподеленные пари в молекулах називають lone pair («самотня пара») — і є за що. Навіть у звичайних умовах молекулярна орбіталь такої пари сильно витягнута і потребує якомога більше вільного простору, розштовхуючи інших заступників. Саме тому молекула аміаку NH3 пірамідальна, а не плоска. Так, у кожного атома кисню в молекулі за дві неподеленные пари, у той час як у азоту — одна. Отже, сила відштовхування між молекулами кисню буде вище, що і робить його полімеризацію більш важкою. Звичайно, не варто забувати і про силу зв’язків у молекулах: якщо зв’язки слабкі, ніякі неподеленные пари не допоможуть її врятувати. Очевидно, мова йде про правильної комбінації числа обох факторів — неподеленных пар електронів і енергії міжатомної взаємодії в молекулі.

При високих тисках гази начебто водню, монооксиду вуглецю або азоту полімеризуються в ланцюзі, шари або утворюють каркасні структури. При цьому їх провідність зазвичай зростає із збільшенням тиску, аж до металевої. А ось з киснем все набагато складніше. При нормальних умовах він ізолятор. Якщо тиск підвищується, кисень металлизируется і поступово переходить в надпровідний стан. При подальшому зростанні його структура стає полімерної, і кисень перетворюється в напівпровідник. Якщо тиск підвищується і далі, кисень знову набуває металеві властивості, при цьому його структура трансформується спочатку в зигзагоподібні ланцюги, а потім у структуру, що містить металеві шари (як показано на ілюстрації).

Зауважимо, що полімеризація малих молекул під впливом високого тиску цікавить наукове співтовариство в силу того, що допомагає зрозуміти фундаментальні хімічні і фізичні принципи геологічних та планетарних процесів. Наприклад, тиск у центрі Юпітера оцінюється в 7 ТПа. Було також виявлено, що полімерні молекули азоту або вуглекислого газу володіють високою питомою енергоємністю і надміцного.

Підготовлено за матеріалами PhysOrg.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *