Первое стабильное соединение гелия

Перед вами — модель молекулы Na₂He, первого стабильного соединения гелия. При высоком давлении гелий (зеленые кубы) формирует стабильное соединение с двумя атомами натрия (фиолетовые шары). Эта молекула — электрид, то есть она положительно заряжена и ее противоионами являются электроны (красные октаэдры).

Исторически атомы, расположенные в самой правой колонке таблицы Менделеева (гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Xe, радон Ra) называют атомами «благородных газов». Название повелось с тех далеких пор, когда обнаружили, что эти атомы (точнее газы, состоящие из этих атомов) не образуют стабильных химических соединений. У них полностью заполнена оболочка валентных электронов, и им на первый взгляд незачем делиться электронами с другими атомами и нет места принять электроны извне. Иначе говоря, им энергетически невыгодно образовывать химические связи.

Однако довольно быстро стало ясно, что при определенных условиях и с определенными атомами благородные газы можно заставить создать стабильные соединения. Первым в 1962 году пал ксенон, из которого удалось создать дифторид (XeF₂) и тетрафторид ксенона (XeF₄). Дифторид ксенона используется в органическом синтезе как сильный фторирующий агент, да и у тетрафторида хватает применений. Вслед за ксеноном пали криптон и аргон.

Неон и гелий же не сдавались. Особенно гелий, из которого удавалось получать лишь гиперреактивные короткоживущие соединения, самое известное из которых гидрид гелия HeH+. Другой тип соединений гелия — молекулы, например He@C₆₀ (см. «Сухая вода» помогла измерить поляризацию ковалентных связей, «Элементы», 02.11.2016), в которых гелий связан слабыми связями Ван-дер-Ваальса и не влияет на электронное строение. Энергия ионизации (отрыва электрона) у гелия — самая высокая из всех атомов, так что к заполненной электронной оболочке не подступиться. Как же сломить сопротивление?

Группа Артёма Оганова из Сколтеха (Москва) и Университета Стoyни-Брук (США) c помощью разработанной ими программы USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography) рассчитала, что гелий способен создать стабильное соединение Na₂He с натрием при высоком давлении (>113 ГПа). В коллаборации с группой из Нанкайского университета (Китай) им удалось подтвердить предсказание экспериментально. Синтез был произведен путем сжимания натрия с гелием алмазной наковальней.

Структуру установили с помощью двух независимых методов — спектроскопии Раманa и рентгеноструктурного анализа. Также выяснили, что вещество не проводит электричество и что виновен в этом гелий, не допускающий проход свободных электронов. Na₂He имеет температуру плавления в три раза выше, чем чистый натрий — выше 1500 К при 140 ГПа (у Na 550 К при сходных условиях). Подобные соединения могут существовать в недрах Земли и других планет. Авторы предсказывают еще одно соединение — Na₂HeO, — стабильное при давлении >15 ГПа, но экспериментально eгo пока не подтвердили.

Что ж, в учебники химии пора вносить соответствующие дополнения.

Рисунок с сайта cen.acs.org.

Григорий Молев