忘記學校教的,科學家成功創造出穩定的氦化合物!

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化學新領域。

如果還記得高中化學,你會知道氦有點奇怪。這種惰性氣體是元素周期表上最不活潑的元素,而且由於它的完整外殼,普遍的看法認為氦不能與其他原子相互作用,來產生穩定的化合物。

雖然其他惰性氣體元素有顯示出跡象在極端壓力下形成化合物,但氦仍然是堅定的例外,一直到現在。科學家報告創造出看起來是一種穩定的氦鈉化合物,而且挑戰現代化學的一些最基本假設。

成員之一,來自猶他州立大學(Utah State University)的伊凡‧波波夫(Ivan Popov)告訴在美國科技博客網站Gizmodo的萊恩‧曼德爾鮑姆(Ryan F. Mandelbaum):「當你施加高壓時,會產生化學變化,而這可以在地球內部和不同的行星達成,例如土星。」

「但這會改變教科書內容。」

如果你需要在化學真相上來一點複習,氦是宇宙中第二豐富的元素,而且是屬於一個名為惰性氣體、擁有6個成員的元素族群。之所以這樣說,是因為有一個明顯的’超然離群(aloofness)’特性,來防止它們容易地與其它元素形成化合物。

自從得到’惰性’的名聲以來,其中一些氣體在極端條件下會顯示出反應的跡象。實際上可以將惰性氣體分成兩組:氪、氙和氡被認為是相對有反應的,而氬、氖、以及氦則被認為非常無反應的。

研究人員在過去找到一些將氦與其他元素配對的方法,但到目前為止,結果總是短暫的。

氦與其它元素相互作用最常見的例子之一指向凡得瓦力(van der Walls force),不需要傳統的共價鍵或離子鍵來形成吸引力或排斥力。

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已知非常弱的凡得瓦力存在於氦和其他原子之間,而且在極低的溫度下,氦可以形成凡得瓦分子;非常弱結合的原子團或分子團,但是無法持續很久。

氦的堅固穩定性是由於它的封閉殼電子結構。它的外殼是完整的,意味著沒有空間來透過共享電子與其他原子結合。

但這是假設這些條件與我們在地球表面上所經歷的一致。

氦是宇宙最豐富的元素之一,是恆星和氣體巨行星形成的原因,可以在外太空和地球深處遵守非常不同的規則,而研究人員剛剛發現這種怪異行為的第一個證據。

成員之一、來自猶他州(Utah State)的艾力克斯‧博爾德列夫(Alex Boldyrev)告訴在Phys.org的瑪麗安‧穆福萊托(Mary-Ann Muffoletto):「極高的壓力,像是在地球核心或是鄰近巨形星球所發現,會完全改變氦的化學性質。」

研究人員利用’晶體結構預測(crystal structure-predicting)’電腦模型,來預測在極端壓力下,可能形成的穩定氦鈉化合物。

然後他們在鑽石高壓砧(diamond anvil cell)實驗中,實際創造出從未見過的化合物Na2He,這項實驗讓他們把氦原子和鈉原子屈服在大約110萬倍的地球大氣壓力下。

穆福萊托說:「博爾德列夫表示這些發現是非常意想不到的,他和同事們努力了兩年多,來說服科學評論家和編輯發表他們的結果。」

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基於這些結果,研究小組預測,在高達他們所達到的壓力程度的1千萬倍之下,鈉會很容易地與氦氣結合形成穩定的Na2He化合物。

而且,很奇怪的是,這個化合物的形成,看起來好像沒有任何化學鍵把它維繫在一起。

研究人員之一、來自中國南開大學(Nankai University)的Xiao Dong在一份聲明中說:「我們發現的化合物是非常特殊的:氦原子實際上不形成任何化學鍵,然而它們的出現(存在)從根本上改變了鈉原子間的化學相互作用,迫使電子定居在結構的立方體空隙內,造成這個材料絕緣。」

這裡是Na2He的晶體結構。一個鈉原子(紫色)和氦原子(綠色)交替的固體形成,伴隨著共享電子(紅色)在它們之間的空隙。


Artem R. Oganov

很像是離子鍵和共價鍵,但是波波夫告訴Gizmodo:「這不是一個真正的化學鍵,然而[氦]確實穩定了這個結構。如果你把那些氦原子移開,這個結構將會不穩定。」

這裡有幾個氦化合物結構的代表。在左邊有粉紅色的鈉和白色的氦,在右邊則是灰色的鈉和氦立方體,以及紅色的電子:


Xiao Dong et. al.

最近,化學家對於這些’打破規則’的發現,做出一些發表。由不同的研究小組創造出世界上第一個金屬氫的樣本,以及在上個月創造出帶有6個鍵而非4個鍵的碳分子

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但是因為違反普遍的看法,這類的發現在獨立複製結果之前,經常面臨很多的質疑

對於這項研究的可信度,到目前為止,這些結果看起來很穩固。因此,我們期望在接下來的實驗,可以看到一些真正有趣的結果。

當把這些氦化學鍵與金屬氫的發現做比較時,沒有參與這項研究、來自倫敦帝國學院(Imperial College)的物理學家亨利‧熱帕(Henry Rzepa)告訴Gizmodo:「這是更加健全的科學。」

「這個氦化合物是一項突破。」

需要做更多的實驗來確定在這裡所做的研究,但是2017年看起來好像是許多舊的化學假設被測試的一年,而我們迫不及待地想要看看接下來會發生什麼事。

這些研究結果已經發表在自然化學期刊(Nature Chemistry)

來源:ScienceAlert