Τα διαμαντένια αμόνια και το παράξενο αλάτι

Η κρυσταλλική δομή της χημικής ένωσης NaCl3. Οι μοβ σφαίρες είναι άτομα νατρίου και οι πράσινες χλωρίου

Το κοινό μαγειρικό αλάτι είναι το κλασικό παράδειγμα που δίνουν τα σχολικά και πανεπιστημιακά βιβλία Χημείας για το πιο απλό είδος χημικού δεσμού μεταξύ ατόμων. Ενα άτομο νατρίου με ένα άτομο χλωρίου συνδυάζονται για να δώσουν ένα μόριοχλωριούχου νατρίου, όπως είναι η επιστημονική ονομασία του μαγειρικού αλατιού. Οπως όμως έδειξαν πρόσφατα πειράματα, αυτός δεν είναι ο μοναδικός τρόπος χημικής ένωσης μεταξύ νατρίου και χλωρίου. Σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλής πίεσης είναι δυνατό να ενωθούν τρία άτομα χλωρίου με ένα άτομο νατρίου ή τρία άτομα νατρίου με ένα άτομο χλωρίου, σχηματίζοντας εντελώς ευσταθείς χημικές ενώσεις. Με αποτελέσματα αυτού του είδους, ανοίγουν νέοι δρόμοι όχι μόνο στην καθαρή Χημεία και σε χρήσιμες σχετικές καινοτομίες, αλλά και στην κατασκευή καλύτερων θεωρητικών μοντέλων για την εσωτερική δομή των πλανητών.

Η σημασία της ελάχιστης ενέργειας

Από το σχολείο γνωρίζουμε ότι ο πυρήνας ενός ατόμου είναι θετικά φορτισμένος λόγω των πρωτονίων που περιέχει, ενώ γύρω από αυτόν κινούνται τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια σε «στρώσεις» που ονομάζονται στιβάδες. Ο κανόνας για τη δημιουργία ευσταθών χημικών ενώσεων είναι ότι τα άτομα «επιθυμούν» να έχουν οκτώ ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα τους. Το νάτριο έχει στην εξώτατη στιβάδα ένα ηλεκτρόνιο και το χλώριο έχει στην εξώτατη στιβάδα επτά. Ετσι το νάτριο «δίνει» το μοναδικό ηλεκτρόνιο της εξώτατης στιβάδας του στο χλώριο και απομένει με οκτώ ηλεκτρόνια στην αμέσως κατώτερη στιβάδα, που τώρα έχει γίνει εξώτατη, ενώ παράλληλα φορτίζεται θετικά. Αντίστοιχα το χλώριο «παίρνει» το ηλεκτρόνιο και συμπληρώνει οκτώ ηλεκτρόνια στην εξώτατη στιβάδα του, ενώ παράλληλα φορτίζεται αρνητικά. Τα δύο άτομα έλκονται μεταξύ τους επειδή είναι ετερώνυμα φορτισμένα και έτσι δημιουργείται ένα μόριο χλωριούχου νατρίου, που συμβολίζεται ως NaCl.
Η θεωρία όμως δεν αποκλείει, καταρχήν, την περίπτωση όπου τα άτομα του νατρίου και του χλωρίου κάνουν άλλου είδους «συνεταιρισμούς» για να σχηματίσουν ευσταθείς ενώσεις. Εδώ υπεισέρχεται ένα άλλος κανόνας της Φυσικής, γενικότερος από τον κανόνα των ηλεκτρονικών οκτάδων. Είναι ο κανόνας σύμφωνα με τον οποίον τα διάφορα φυσικά συστήματα τείνουν να καταλήξουν στην κατάσταση της ελάχιστης ενέργειας. Αυτό το συναντάμε πολύ συχνά στην καθημερινή ζωή μας. Για παράδειγμα, το νερό της βροχής που πέφτει σε ένα βουνό τείνει να κυλήσει κατά μήκος της πλαγιάς του βουνού και να καταλήξει στο χαμηλότερο σημείο, στους πρόποδες του βουνού. Αυτός ο κανόνας όμως δεν είναι απόλυτος, αφού υπάρχουν λίμνες σε ψηλά βουνά, όπως για παράδειγμα είναι οι δρακολίμνες στα βουνά της Ηπείρου. Οι λίμνες αυτές σχηματίζονται χάρη στην ύπαρξη τοπικών κοιλοτήτων, όπου το νερό της βροχής συγκεντρώνεται στο τοπικά χαμηλότερο σημείο. Αν αναταράξουμε ισχυρά το νερό μιας δρακολίμνης, αυτό θα ξεχειλίσει και θα καταλήξει τελικά στο χαμηλότερο δυνατό σημείο, που είναι οι πρόποδες.

Αν θεωρήσουμε το ανάλογο του απλοποιημένου παραδείγματος των δρακολιμνών στην περίπτωση της χημικής ένωσης νατρίου και χλωρίου, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι, ενώ το γνωστό μαγειρικό αλάτι είναι σίγουρα η κατάσταση με τη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια, είναι ίσως δυνατό να σχηματισθούν και άλλες χημικές ενώσεις των δύο αυτών στοιχείων, που αντιστοιχούν σε τοπική ελάχιστη ενέργεια. Σύμφωνα με τις απόψεις του καθηγητή Αρτέμ Ογκανόφ (Artem Oganov) του Πανεπιστημίου Στόνι Μπρουκ, αν «καθοδηγήσουμε» τα άτομα διαφόρων χημικών στοιχείων έτσι ώστε να συνδεθούν σε μια ένωση που αντιστοιχεί σε τοπική ελάχιστη ενέργεια, είναι δυνατόν να καταλήξουμε σε ευσταθή μόρια που δεν σχηματίζονται αυθόρμητα στη φύση. Με βάση αυτές τις απόψεις ο καθηγητής Ογκανόφ είχε προβλέψει την ύπαρξη σταθερών χημικών ενώσεων του νατρίου με το χλώριο με διαφορετικό χημικό τύπο από το γνωστό μαγειρικό αλάτι.

Τα διαμαντένια αμόνια

Το αν όμως αυτές οι ενώσεις απαντώνται πραγματικά στη φύση ή όχι θα έπρεπε να εξετασθεί πειραματικά. Τα πειράματα διεξήχθησαν από τη συνεργάτιδά του Βεϊβέι Τσαγκ (Weiwei Zhang) με τη βοήθεια ενός πιεστηρίου με διαμαντένια αμόνια (diamond anvil cell), το οποίο επιτρέπει όχι μόνο την εφαρμογή εξαιρετικά υψηλών πιέσεων σε μικρά δείγματα αλλά και την ταυτόχρονη συνεχή παρατήρηση των δειγμάτων, για τον έλεγχο των αλλαγών που υφίστανται. Το όργανο αυτό αποτελείται από δύο στιλβαδάμαντες (μπριγιάν), η κωνική απόληξη των οποίων έχει κοπεί έτσι ώστε να σχηματίζεται μια επίπεδη έδρα πολύ μικρής διαμέτρου (μικρότερης από 1 χιλιοστό). Οι στιλβαδάμαντες αυτοί, τοποθετημένοι αντικριστά, αποτελούν τα διαμαντένια αμόνια της συσκευής. Το δείγμα τοποθετείται ανάμεσα στις δύο μικρές έδρες των διαμαντένιων αμονιών, τα οποία στη συνέχεια συμπιέζονται μηχανικά. Η πίεση, P που εφαρμόζεται μεταξύ των δύο αμονιών ισούται με τη μηχανική δύναμη, F, που εφαρμόζεται στα αμόνια, διαιρεμένη διά της επιφάνειας της κάθε πλευράς, A, δηλαδή P = F/A. Η υψηλή πίεση που πετυχαίνουμε με αυτή τη συσκευή οφείλεται τόσο στο ότι εφαρμόζουμε μεγάλη δύναμη (F) όσο και στο ότι η επιφάνεια (Α) του κάθε «αμονιού» είναι πολύ μικρή. Κατά τη διάρκεια του πειράματος μπορούμε να παρακολουθούμε συνεχώς το δείγμα, φωτίζοντάς το και παρατηρώντας το μέσα από τα διαμάντια, που είναι διαφανή.
Τοποθετώντας στη συσκευή χλωριούχο νάτριο μαζί με ελεύθερο χλώριο και εφαρμόζοντας πίεση «μόνο» 300.000 ατμοσφαιρών ο καθηγητής Ογκανόφ και η συνεργάτιδά του πέτυχαν τη σύνθεση της σταθερής ένωσης NaCl3 ενώ τοποθετώντας αλάτι μαζί με ελεύθερο νάτριο και εφαρμόζοντας παρόμοια πίεση πέτυχαν τη σύνθεση της επίσης σταθερής ένωσης Na3Cl. Ειδικά η τελευταία χημική ένωση έχει πολύ περίεργη κρυσταλλική δομή, αφού αποτελείται από διαδοχικά επίπεδα «κλασικού» χλωριούχου νατρίου και καθαρού μεταλλικού νατρίου. Με τον τρόπο αυτόν θα μπορούμε στο μέλλον να παρασκευάσουμε δισδιάστατα μεταλλικά υλικά, με ιδιότητες συμπληρωματικές αυτών του γραφενίου, του δισδιάστατου υλικού από άνθρακα που έχει αρχίσει να βρίσκει πλήθος εφαρμογών.

Ταξίδι στον πυρήνα της Γης

Τελειώνοντας, θα πρέπει να επισημάνουμε ότι τα διαμαντένια αμόνια έχουν και πολλές άλλες εφαρμογές, πέρα από τη σύνθεση «εξωτικών» μορίων. Για παράδειγμα, επειδή η πίεση που επιτυγχάνεται με αυτή τη συσκευή μπορεί να φτάσει άνετα τα 2 εκατομμύρια ατμόσφαιρες, τιμή που βρίσκεται κοντά στην πίεση που υπάρχει στο κέντρο της Γης, μπορούμε να μελετήσουμε τις ιδιότητες του σιδήρου και του νικελίου, από τα οποία αποτελείται ο πυρήνας της Γης, σε συνθήκες παρόμοιες με αυτές που επικρατούν στο κέντρο της Γης. Διαπιστώθηκε ότι το σημείο τήξης του σιδήρου σε πίεση όση στο κέντρο της Γης είναι 6.000oC, περίπου κατά 1.000 βαθμούς υψηλότερο από όσο υπολογίζαμε θεωρητικά ως σήμερα και κατά 4.700 βαθμούς υψηλότερο από το σημείο τήξης του σιδήρου σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Με βάση αυτό το στοιχείο και τα αποτελέσματα σεισμολογικών ερευνών, που δείχνουν ότι ο πυρήνας της Γης είναι σε ρευστή μορφή, μπορούμε να υπολογίσουμε ότι η θερμοκρασία του είναι επίσης 6.000oC. Με παρόμοιο τρόπο μπορούμε να υπολογίσουμε τη θερμοκρασία των πυρήνων και άλλων πλανητών, αν γνωρίζουμε τη χημική τους σύσταση και τη φυσική τους κατάσταση.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.

Πηγή: Βήμα