El nitrógeno está en todas partes: incluso en el aire hay cuatro veces más que el oxígeno. Sin embargo, es reacio a formar enlaces químicos, especialmente con más de cuatro átomos. Sin embargo, los químicos de Varsovia predicen que es contrario a las reglasde química típica, en condiciones apropiadamente seleccionadas puede haber un nitrógeno que nadie haya visto nunca: uno capaz de formar hasta seis enlaces químicos.
Nadie esperaba esto. Las simulaciones por computadora sugieren que el nitrógeno, un elemento muy conocido, con una reputación de ser reacio a reaccionar, podría, a una presión lo suficientemente alta, romper las reglas químicas y volverse extremadamente gregario: entonces un solo átomo seríacapaz de formar incluso seis enlaces químicos. Este sorprendente descubrimiento fue realizado por investigadores del Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia IPC PAS en Varsovia y el Centro de Nuevas Tecnologías de la Universidad de Varsovia CeNT UW, financiadopor becas del Centro Nacional de Ciencias de Polonia.
Los químicos saben desde hace tiempo que el nitrógeno ocasionalmente puede tener una valencia de cinco, lo que significa que es potencialmente capaz de formar enlaces con otros cinco átomos. Otro elemento con propiedades similares es el fósforo, que es adyacente al nitrógeno en la tabla periódica.
"Sin embargo, el nitrógeno se comporta de manera diferente al fósforo: en la práctica, forma cinco enlaces con a lo sumo otros cuatro átomos, y más generalmente con tres, como en el popular ácido nítrico HNO3. Decidimos investigar, usando la computadora, elposibilidad de obtener un compuesto en el que el nitrógeno pentavalente se combinaría con cinco vecinos por interacciones covalentes - enlaces químicos. Analizamos miles de estructuras cristalinas de compuestos de nitrógeno con flúor que surge a altas presiones. Esperábamos ver algunas estructuras que contienen partículas de pentafluoruro de nitrógeno NF5"No estábamos preparados para el hecho de que en uno de los cristales nos encontramos con iones con la fórmula NF6, en la cual el átomo de nitrógeno se une con hasta seis átomos de flúor", dice el Dr. Patryk Zaleski-Ejgierd IPC PAS.
Dr. Dominik Kurzydlowski CeNT UW, coautor de la publicación en la revista Informes científicos , explica la esencia del descubrimiento de la siguiente manera: "Normalmente se requieren dos electrones para la formación de un enlace covalente único. El problema con el nitrógeno radica en el hecho de que al crear varios compuestos 'intercambia' electrones para ser siemprerodeado por ocho de ellos. Esto restringe el número total de átomos unidos al nitrógeno a no más de cuatro. Fuimos los primeros en encontrar un cristal estable en el que el nitrógeno rompe la regla del octeto, es decir, el requisito de poseer exactamente ocho electrones y se formaenlaces que involucran un total de hasta doce electrones "
Los compuestos en los que un elemento rompe la regla del octeto se denominan octetos hipervalentes. Muchos elementos pueden formar compuestos hipervalentes, incluidos fósforo, azufre y varios metales. Este fenómeno es ventajoso porque amplía significativamente el número de posibles compuestos que el elemento puede formar.Por ejemplo, si no fuera por la hipervalencia, el azufre no formaría ácido sulfúrico y el fósforo no podría ser uno de los componentes básicos del ADN.
Los cálculos y simulaciones asociados con la búsqueda de nitrógeno hipervalente se llevaron a cabo en el IPC PAS utilizando la teoría funcional de la densidad, es decir, el método normalmente utilizado en los cálculos de estado sólido. Sin embargo, los autores del descubrimiento utilizaron una de las realizaciones más avanzadas deEsta teoría, el híbrido funcional. Permite describir enlaces químicos con mucha precisión, pero lleva mucho más tiempo realizar los cálculos.
"Los compuestos que probamos, así como las condiciones bajo las cuales se formaron estos compuestos, eran muy exóticos. Por lo tanto, la precisión de los cálculos era nuestra prioridad absoluta, por eso decidimos usar el híbrido funcional para los cálculos", diceEl Dr. Kurzydlowski y subraya que la realización de la simulación dentro de un plazo razonable fue posible gracias a la cooperación con el Centro Interdisciplinario de Modelado Matemático y Computacional, Universidad de Varsovia.
Un análisis exhaustivo de los resultados de la simulación por computadora permitió a los investigadores identificar la estructura cristalina única que con un aumento de presión en algún momento se ioniza automáticamente de una manera muy particular. Se lleva a cabo una reorganización durante la cual el cristal molecular, originalmente formado poruna mezcla de gases NF3 y F2, se transforma en un cristal iónico complejo construido de iones NF4-, NF2 + y ... NF6- Cabe mencionar aquí que a pesar del nombre exótico, los cristales iónicos son comunes en la naturaleza. Incluyen muchosminerales, entre otros, sal de roca popular, cuya estructura cristalina está formada por cationes de sodio Na + y aniones de cloruro Cl-.
La presión requerida para la síntesis de cristales que contienen NF6- asciende a 400-500 mil atmósferas que está dentro del alcance de las técnicas experimentales actuales. Las simulaciones sugieren que después de la formación los cristales permanecerían metaestables incluso a presiones mucho más bajas. ¿Eso también significabajo presión atmosférica normal?
"No apostaría demasiado dinero en eso, pero no se puede descartar por completo que un día simplemente podrás recoger los cristales que predecimos con iones NF6 únicos. Si lo hacen, así seráestable, quién sabe, ¿tal vez sea posible encontrar algunas aplicaciones interesantes para ellos? ", se pregunta el Dr. Zaleski-Ejgierd.
Sin embargo, tomar un cristal con iones NF6 en su mano probablemente no sería una buena idea. El trifluoruro de nitrógeno ya es un agente oxidante fuerte que debe almacenarse en cilindros de acero. Un cristal de pentafluoruro de nitrógeno mezclado con NF6- seríaun oxidante aún más fuerte y podemos suponer que incluso la construcción de un contenedor que permita su almacenamiento seguro podría causar dificultades considerables a los ingenieros.
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Materiales proporcionado por Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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