Нейтроны раскрывают кристаллическую структуру неуловимой угольной кислоты
Все считают, что знают это, но это так и осталось одной из самых больших тайн в химии: угольная кислота. До сих пор никто никогда не видел молекулярную структуру соединения, состоящего из водорода, кислорода и углерода, с химической формулой H.2СО3. Соединение быстро распадается — по крайней мере, на поверхности Земли — на воду и углекислый газ или вступает в реакцию с образованием гидрокарбоната, вещества, которое также распадается.
Это то, что придает газировку минеральной воде и шампанскому."Поскольку люди не верят в то, чего не видят, в книгах по химии обычно утверждается, что угольной кислоты не существует или, по крайней мере, что ее нельзя выделить с абсолютной уверенностью."говорит профессор Ричард Дронсковски, директор Института неорганической химии Рейнско-Вестфальского технического университета в Аахене.
Вместе со своей командой из СВТ и Института современных материалов Хоффмана (ХИАМ ) в Шэньчжэне, Китай, ему удалось впервые получить кристаллическую угольную кислоту и проанализировать ее структуру. Так что пора переписывать учебники.
Исследователям потребовалось восемь лет, чтобы доказать существование соединения."Наши компьютерные расчеты изначально показали, что для образования кристаллов угольной кислоты из воды и двуокиси углерода необходимо создать температуру минус 100°C в сочетании с давлением около 20 000 атмосфер. Поэтому нам нужно было спроектировать и построить аппарат, способный выдержать эти экстремальные условия."говорит Дронсковски.
Стенки измерительной ячейки размером не больше парфюмерного флакона состоят из специально изготовленного сплава. Алмазное окно позволяет исследователям заглянуть внутрь. В этой камере смесь замороженной воды и сухого льда углекислого газа подвергается давлению с помощью наковальни. В этих экстремальных условиях действительно образовались кристаллы.
Использование нейтронов, чтобы лучше видеть
Чтобы узнать больше о составе и структуре кристаллов, команда доставила измерительную ячейку на ФРМ II в Мюнхен:"Для наших исследований нам понадобились пучки нейтронов,"вспоминает Дронсковски.
"Рентгеновские лучи взаимодействуют с электронами в атомах. Но нейтроны взаимодействуют с ядрами. В результате с их помощью можно сделать видимыми даже очень легкие атомы, такие как водород, который содержит только один электрон. Это было важно для нас, потому что наши кристаллы содержат водород. Мы должны были знать, где расположены атомы водорода в молекуле."
Чтобы использовать пучки нейтронов для исследования атомной структуры кристалла, необходимы чрезвычайно чувствительные измерительные приборы, такие как дифрактометр СТРЕСС -СПЕЦ . Он был разработан для измерения влияния смещения напряжений на кристаллическую решетку. Для измерения используется монохроматор для выбора определенной длины волны из нейтронного пучка, испускаемого исследовательским реактором ФРМ II .
Этот монохроматический луч можно направить с помощью специальных щелей, чтобы полностью сфокусировать его на внутренней части измерительной ячейки, объясняет исследователь ТУМ и руководитель группы ФРМ II доктор Майкл Хофманн:"Это позволяет нам изучать очень маленькие объемы образцов с чрезвычайно высоким разрешением. Для анализа проба из Аахена, имевшая объем всего несколько кубических миллиметров, подошла идеально."
Когда монохроматический пучок нейтронов попадает на кристалл, он отклоняется за счет взаимодействия с атомами. Это дает дифракционную картину, из которой можно вывести структуру кристаллической решетки - по крайней мере, теоретически.
Головоломка со структурой
"С практической точки зрения анализ данных измерений был настоящей проблемой."говорит Дронсковски. Исследователям потребовалось более двух лет, чтобы определить тысячи структурных возможностей с помощью своих алгоритмов и сравнить их с экспериментальными результатами. При таком подходе им в конечном итоге удалось идентифицировать структуру кристаллов, образовавшихся внутри измерительной ячейки: они действительно состоят из H2СО3&NBSP ;молекулы, связанные водородными связями, образуя низкосимметричные"моноклиналь"состав.
"Наша работа была прежде всего фундаментальной: химикам просто необходимо это знать, они ничего не могут с собой поделать. Но теперь, когда мы знаем условия, при которых образуется угольная кислота, мы можем представить себе практическое применение,"говорит Дронсковски.
Например, космологи, обнаружившие следы углекислоты на далеких планетах или лунах, смогут сделать выводы об условиях там. Результаты также могут быть интересны для геоинженерии: например, теперь можно рассчитать, когда образуются кристаллы угольной кислоты, когда углекислый газ помещается под высоким давлением во влажных условиях под землей.
Исследование было опубликовано в&NBSP ;неорганические вещества.
