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打破教科书的发现:氦可形成奇异的的化合物

来源:环球科学
作者:Clara Moskowitz
 

氦原子概念模型图

图片来源:Richard Kail Getty Images
 

稀有气体中最惰性的氦,长期以来被认为十分稳定,因此难以和其他原子形成化学键。而最近氦却形成了化合物,这让化学家感到吃惊。

去年科学家报道称,制备了由钠原子和氦原子共同组成的晶体,但机理不详。最近一个新的团队提出了一种解释:氦原子无需形成化学键就能与其他原子结合,即不需要共用或交换任何电子。氦在该化合物中处于带正电的钠离子之间,起到屏障作用,这缓冲了正电荷间的排斥力,从而实现稳定。“团队提出了一种解释,我喜欢它,这个模型是可预见的,它解释了迄今为止所有的观察结果。”俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究所化学家Artem Oganov说道,同时他也是最初发现该氦化合物团队的负责人。

这些氦化合物的发现令人震惊,因为科学家们始终认为氦原子极不可能与其他原子结合,因为氦原子是不会愿意交出它可以完全填满唯一电子层的两个电子的。每个原子都拥有这样的电子层,它们控制着特定数量的电子以及在原子核周围构造这些带负电荷的粒子。原子们喜欢它们的电子层被填满,同时未填满电子层的原子也会得到或者给予其他原子一两个未成对电子来填满相应的电子层。而那些电子层完全充满且无多余电子可共用的元素被称为惰性气体,其中氦元素原子序数最小,被认为是最稳定的元素。美国加利福尼亚州立大学北岭分校(California State University, Northridge)化学家,提出这一新解释团队的负责人Maosheng Miao说:“这项精彩的工作去年已经完成”。Miao的研究生,Zhen Liu 作为第一作者将这项研究以论文的形式刊登在今年35日的《自然通讯》(Nature Communications)杂志上。“该团队发现假如将钠和氦放在一起,并将其置于像地球中心一样的压力下,钠实际上就可以与氦反应形成稳定的化合物。”起初,一些科学家认为氦终究会和钠共用电子。但是Miao的团队提出了另一种解释:氦原子可能并未给予或接受任何电子,但是它无论如何都以某种方式和钠原子结合了。

当一堆钠原子受到足够高的压力时,每个钠原子最外层的那个电子都会被挤出,从而将这些原子转变为正电荷的离子。之后所有的正离子都会排斥其邻近的正离子,就像电荷同性相斥。Miao和他的同事推断,假如氦原子可以进入并置于这些钠离子之间,那么正电荷间的距离就会增大,电荷排斥的能量就会减弱,从而稳定该物质。Miao说,“我认为这是首次虽然没有化学键参与,但仍可以构成一个稳定化合物。”未参与该研究的美国康奈尔大学(Cornell University)化学家Roald Hoffmann对这项工作给予了高度评价。

基于他们的假设,Miao的团队运用支配每个原子的量子力学定律进行了详尽的计算机计算,发现这种氦化合物确实存在。Miao团队的成员之一,美国纽约州立大学布法罗分校(University at Buffalo, S.U.N.Y)化学家Eva Zurek说:“令人兴奋的是,这个概念在计算中得到了证实,我们也可以预测以前从未研究过的新的氦化合物。”科学家们期望实验人员尝试氦与氟化镁和氟化钙的组合来创造新的氦化合物。

这一发现可能对研究存在于地球深处的元素组成也有所启示。从前,科学家认为氦元素缺乏和其他元素结合的方式,所以不可能储存在地球岩石内部。俄罗斯化学家Oganov说:“现在,愈发清晰的是,这一想法过度简化了,即使是最为惰性的氦元素,也不是我们过去想象中的那么稳定,它实际上可以形成稳定的氦化合物并储存在地球的地幔中。”

因为高压下许多普适的化学定律不再适用,化学家们希望在未来能找到更加一般的规则来预测这种不寻常的分子将会何时出现。发现钠-氦结合物团队的合作者,德国亚琛工业大学(RWTH Aachen University)的Richard Dronskowski认为:“这真是一种奇异的化学键合状态,假如你思考一段时间,一切都将变得合情合理,但是一开始你却并不指望它是对的。这真是令人着迷啊!”
 
参考文献:doi:10.1038/s41467-018-03284-y
翻译:叶柏镛
审校:张哲
本文来自:环球科学
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