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打破传统化学规则 科学家将盐变成"不可能"物质

http://www.kexue.com 2013-12-25 09:48:51 中国科技网  发表评论


将氯化钠在富氯或富钠条件下,用高压钻石砧挤压,可形成奇特化合物如三氯化钠(NaCl3)

  一个由中、美、俄等多国科学家组成的国际研究小组在极端高压下,把普通食盐变成了全新的化学物质。而按照化学教科书上的规则,这些物质本不该存在。相关论文发表在12月20日的《科学》杂志上。

  该研究由纽约州立大学石溪分校艾特姆-奥甘诺夫和卡内基华盛顿研究所的亚历山大-冈察洛夫负责,在德国电子同步加速器(DESY)X-射线光源PETRA Ⅲ和其他几个研究中心进行了实验。

  食盐即氯化钠(NaCl),是最普通的化合物。按传统化学中的八隅体规则(也叫八电子规则,所有元素都趋向于把它们的最外电子层填满8个电子,这样最稳定),Na和Cl只能是1个Na原子结合1个Cl原子的形式,不可能有其他形式。

  实验中,研究人员给食盐施加了20万大气压,而在PETRA Ⅲ更高,增加了额外的冲击力,生成了一些“不可能”的物质,如氯化三钠(Na3Cl)和三氯化钠(NaCl3)。论文合著者、DESY实验人员朱詹娜-科诺科娃说:“按照理论预测,我们在高压下用激光加热样本,结果发现了其他形式、稳定的钠氯化合物式。”

  根据奥甘诺夫小组的计算,极高压下有可能形成奇特的化合物,并保持稳定。“我们预测会产生违背教科书法则的化合物,如NaCl3、NaCl7、Na3Cl2、Na2Cl和Na3Cl。”论文第一作者、奥甘诺夫实验室访问学者、中国农业大学应用物理系张维维(音译)说,他们是抱着“试试看”的想法,在PETRA Ⅲ和卡内基研究所进行了实验。他们先瞄准Na3Cl和NaCl3,按预测这两种化合物比其他形式更容易形成,结果发现了这两种物质。“这些化合物在热力学上是稳定的,一旦形成就能一直保持着,而传统化学‘不允许’它们存在。”

  “这是一场化学革命的开始。”奥甘诺夫说,实验室可达到的压力算是较低,在20万大气压下,理想的稳定化合物就违背了传统化学规则。而地球中心压力为360万大气压,在这种条件下,许多化学课本上的法则都不再适用。

  化学教科书适用的范围只在所谓的“环境条件”下。科诺科娃解释说:“这是指地球表面,如果把整个宇宙看作一个整体的话,这种条件就相当特殊。”在地球环境条件下不可能的物质,在更极端环境下会变得可能。奥甘诺夫说:“这里的‘不可能’只意味着能量变高,化学规则不像数学定理,化学规则可以打破,你只需找到能量平衡转移的条件,规则就不再适用。”

  该发现不仅意味着人们能造出原本不存在之物。在实际应用方面,Na3Cl是一种二维金属,可以沿着结构层导电,它的奇特之处在于由氯化钠层和纯钠层构成,氯化钠层绝缘,而纯钠层却导电,这种二维导电材料十分有魅力;而在发现全新化合物方面,“食盐实验”可能只是个开始——如果这种简单化合物在高压条件下能变成多阵列化合物,其他的或许也可以。除以上外,该研究对于解答有关早期行星内核的一些问题亦将有所帮助。

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