Химия высоких давлений породила новое «взрывное» соединение азота
Исследователи из Сколтеха, Института Карнеги, Университета Говарда, Чикагского университета и Института физики твердого тела Китайской АН впервые получили экзотическое соединение калия и азота K2N6 — оно содержит шестиатомные азотные кольца, таящие в себе взрывную энергию. Хотя синтез вещества потребовал в разы более высокого давления, чем достигается в промышленных условиях, — это шаг на пути к новому пригодному в качестве взрывчатки или ракетного топлива соединению азота.
Результаты работы представлены в Nature Chemistry. Азот — критически важный компонент почти любой взрывчатки, будь то тротил, динамит или порох. Это объясняется тем, что у каждого атома азота есть три неспаренных электрона и два таких атома чрезвычайно охотно образуют тройную связь друг с другом, то есть молекулу газа N2 с тремя общими электронными парами. Получается, что достаточно собрать побольше азота в соединении, где он участвует в любых иных связях, и взрывной потенциал обеспечен. Ведь атомы будут стремиться при первой доступной возможности перегруппироваться с выделением большого количества тепла и газа N2.
Профессор Сколтеха Артем Оганов, который занимался расчетами в работе по синтезу нового нитрида с шестерными азотными кольцами, рассказывает: «Люди давно задумались, что идеальной взрывчаткой был бы чистый азот, если только получить его в такой форме, которая не содержит молекул N2. В общем-то, это уже сделали наши предшественники, которые синтезировали при давлении один миллион атмосфер такие формы азота, в которых у любых двух соседних атомов одна общая электронная пара, а не три».
Хотя такой твердой формой азота, несомненно, можно устроить взрыв, для ее получения нужно столь экстремальное давление, что ученые продолжают экспериментировать с другими богатыми азотом соединениями, в число которых теперь вошел и новый нитрид из опубликованного вчера исследования под руководством Александра Гончарова, научного сотрудника Института Карнеги, где проводился эксперимент.
«Полученное нами соединение называется нитридом калия и имеет формулу K2N6. Это кристалл, синтез которого проходит при давлении 450 тысяч атмосфер. Но стабильно вещество и при вдвое более низком давлении, — рассказывает Гончаров. — В этом кристалле азот образует плоские шестиугольники, в которых связь между двумя соседними атомами носит промежуточный характер между одинарной и двойной. Решетка устроена таким образом, что эти шестиугольники перемежаются атомами калия, но именно азотные „кольца“ представляют особый интерес».
Ученые отмечают, что новый материал не дотягивает до практических применений, поскольку необходимое для синтеза давление по-прежнему слишком высоко: хорошим результатом с точки зрения технологий было бы достижение отметки в 100 тысяч атмосфер. Тем не менее работа представляет собой шаг в правильном направлении и содержит интересные с точки зрения фундаментальной химии результаты.
«Наш новый высокоэнергетический материал — это еще одно проявление причудливой химии высоких давлений», — добавляет Оганов, который недавно опубликовал работу (узнать больше), в которой пересмотрено и приспособлено к области высоких давлений основополагающее для химии понятие электроотрицательности. Через призму новой электроотрицательности становятся понятнее не только необычные насыщенные азотом материалы, но и всевозможные другие экзотические соединения, охватывающие всю таблицу Менделеева.