Niespodzianka badawcza

Azot to pierwiastek chemiczny, który w stanie wolnym wstępuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N₂. W cząsteczce dwa atomy tego pierwiastka są połączone ze sobą wiązaniem potrójnym. Wysoka energia wiązania potrójnego powoduje, że jest raczej bierny chemicznie, czyli mówiąc kolokwialnie: reaguje niechętnie. Jego wartościowość wynosi cztery, ale może czasem przyjmować wartościowość równą pięć, co oznacza, że może stworzyć wiązania z pięcioma innymi atomami. Cztery, czasem pięć, ale sześć?

Okazuje się, że jest to możliwe. Dwaj polscy naukowcy: dr Dominik Kurzydłowski z Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego (CeNT UW) oraz dr Patryk Zaleski-Ejgierd z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN), właśnie to odkryli.

W ramach grantu badawczego Narodowego Centrum Nauki badali możliwość otrzymania związku, w którym pięciowartościowy azot łączyłby się z pięcioma sąsiadami za pomocą wiązań kowalencyjnych, czyli chemicznych i… przypadkowo.

- Nie do końca to był przypadek, raczej niespodzianka – mówi dr Patryk Zaleski-Ejgierd. – Planowaliśmy znaleźć związki o wysokich koordynacjach azotu, ale nie spodziewaliśmy się, że znajdziemy aż tak wysokie koordynacje.

Dr Dominik Kurzydłowski tak tłumaczył dla serwisu PAP – Nauka w Polsce, istotę odkrycia: „Do uformowania pojedynczego wiązania kowalencyjnego potrzeba dwóch elektronów. Kłopot z azotem polega na tym, że tworząc różnorakie związki tak „handluje” elektronami, żeby zawsze mieć ich wokół siebie osiem, co wystarcza na wiązania z nie więcej niż czterema atomami. Nam jako pierwszym udało się znaleźć stabilny kryształ, w którym azot łamie regułę oktetu – czyli ów wymóg posiadania dokładnie ośmiu elektronów – i formuje wiązania z udziałem łącznie aż dwunastu elektronów”.

Podczas badań w jednym z kryształów uczeni natrafili na jony o wzorze NF6, w których azot jest wiązany aż z sześcioma atomami fluoru. Związki, w których jakiś pierwiastek łamię regułę oktetu, są nazywane hiperwalencyjnymi. Tworzy je wiele różnych pierwiastków. Symulacje komputerowe i obliczenia związane z poszukiwaniem hiperwalencyjnego azotu prowadzono w IChF PAN przy użyciu teorii funkcjonału gęstości elektronowej. Naukowcy skorzystali także z jednego z bardziej zaawansowanych wariantów tej teorii – funkcjonału hybrydowego, który umożliwia bardzo dokładny opis wiązań chemicznych.

– Nasze badania to, jak się zdaje, pierwsza tego typu praca. Takie związki wcześniej nie zostały uzyskane zapewne dlatego, że naukowcy dokonywali eksperymentów w normalnych warunkach albo do nich zbliżonych. My użyliśmy nieco egzotycznych, czyli bardzo wysokiego ciśnienia – tłumaczy dr Zaleski–Ejgierd. – W sposób naturalny takie związki mogły by zapewne powstać w atmosferach innych planet, zakładając, że spotkałyby się ze sobą atomy azotu i fluoru. W ziemskich warunkach raczej nie udało by się takiego związku znaleźć, choć po udanej syntezie… może.

Praca, która została w listopadzie opublikowana na łamach „Scientific Reports”, ma charakter teoretyczny. Obaj panowie zajmowali się czystą nauką i, jak i mówi dr Zaleski-Ejgierd, ich motywacją była ciekawość, dlatego też na razie nie zastanawiali się nad praktycznym wykorzystaniem swojego odkrycia.

jk

(źródło: PAP – Nauka w Polsce)