Химия высоких давлений породила новое «взрывное» соединение азота
Изображение. Микрофотографии нагретых лазером образцов азида калия под давлением 500 тыс. (слева) и 300 тыс. (справа) атмосфер. Бело-голубые наружные области — KN3, внутри них — образовавшийся из этого вещества K2N6 (на левом снимке) и другое странное и пока мало осмысленное соединение K3(N2)4 (справа). Источник: Ю Ван и др./Nature Chemistry
Исследователи из Сколтеха, Института Карнеги, Университета Говарда, Чикагского университета и Института физики твёрдого 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, опубликованное в Nature Chemistry исследование — это шаг на пути к новому пригодному в качестве взрывчатки или ракетного топлива соединению азота.
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.
Графический абстракт статьи из Nature Chemistry
Профессор Сколтеха Артём Оганов, который занимался расчётами 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 1 млн атмосфер такие формы азота, в которых у любых двух соседних атомов одна общая электронная пара, а не три».
Хотя такой твёрдой формой азота, несомненно, можно устроить взрыв, для её получения нужно столь экстремальное давление, что учёные продолжают экспериментировать с другими богатыми азотом соединениями, в число которых теперь вошёл 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 тыс. 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. Решётка устроена таким образом, что эти шестиугольники перемежаются атомами калия, но именно азотные „кольца“ представляют особый интерес».
Учёные 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 тыс. 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 ещё одно проявление причудливой химии высоких давлений», — добавляет Оганов, который недавно опубликовал работу, 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.