Из гелия удалось получить настоящее химическое соединение.

В периодической таблице есть две группы элементов, которых описывают одним и тем же, казалось бы, совсем нехимическим понятием – речь идёт о благородных металлах, к которым относятся золото, платина и некоторые другие, и о благородных газах.

Слева: структура соединения Na2He, где серые шары – атомы He, розовые – Na. Справа: карта электронной плотности электрида, где отчётливо видна локализованная электронная пара (2e). (Фото: Nature Chemistry (2017) doi:10.1038/nchem.2716.)

Сатурн относится к газовым гигантам – так называют планеты, состоящие преимущественно из таких газов как водород, гелий, аммиак, метан и др. (Фото: NASA, public domain.)

С «благородством» металлов всё более-менее понятно: они, грубо говоря, не ржавеют, в отличие от того же железа. С газами – тоже: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон настолько «благородны», что не вступают почти ни в какие химические реакции ни с какими другими элементами. Довольно продолжительное время их считали абсолютно инертными химическими элементами, хотя на их инертность время от времени кто-то покушался.

Первую брешь в неприступной крепости благородных газов удалось пробить американскому химику Нилу Бартлетту, который в качестве «химического оружия» использовал гексафторид платины – с его помощью он синтезировал первое в мире химическое соединение ксенона. Согласитесь, выходит весьма символично, когда соединение благородного металла вступает в химическую реакцию с благородным газом. Однако отбросим лирику – самый главный результат здесь заключался в том, что элементы, считавшиеся почти целый век инертными, оказывается, могут вступать в химические реакции! Это подстегнуло интерес исследователей к изучению абсолютно новой области – химии благородных газов.

Спустя некоторое время под натиском исследователей пали «крепости» криптона, аргона и даже радиоактивного радона, но два элемента всё ещё продолжали держать оборону. Несмотря на все усилия химиков, им до последнего времени так и не удавалось получить соединения гелия и неона. Конечно, при особых условиях получалось синтезировать некоторые молекулярные «суррогаты», вроде эксимеров, клатратов или молекулярных ионов, однако в полной мере химическими соединениями они всё-таки не являются, и поиски «ключика» к оставшейся паре самых-самых благородных газов продолжались. И вот такой ключик, похоже, нашёлся к самому неприступному химическому элементу – гелию.

Артём Оганов и его коллеги из Нанькайского университета, Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук , Ливерморской национальной лаборатории, Московского физико-технического института и ещё целого ряда научных центров смогли предсказать существование двух стабильных соединений гелия, а затем и подтвердили свои теоретические выкладки на практике.

Сначала с помощью компьютерных вычислений они проанализировали устойчивость системы, состоящей из атомов натрия и гелия при различных условиях. Условия оказались весьма необычными: исследователи предположили, что если подобные структуры и могут существовать, то лишь при очень высоких давлениях, вплоть до 1000 гигапаскалей (это приблизительно 10 млн атм.).

Если энергия образующегося соединения меньше, чем энергия исходных невзаимодействующих атомов – значит, структура может существовать, а если при объединении атомов энергия увеличивается, значит, такая структура будет нестабильной. Другими словами, когда атомам химических элементов лучше быть вместе, чем врозь – тогда образуется новое вещество, в котором атомы связаны друг с другом химическими связями. А если по-отдельности атомам находиться выгоднее, то и никаких устойчивых связей не получится.

Расчёты показали, что при давлениях выше 113 Гпа может появиться устойчивое соединение, в котором на один атом гелия приходится два атома натрия: Na₂He. Самое же удивительное, что такое соединение удалось получить на практике, поместив нужные вещества в алмазную наковальню и создав требуемое давление. Однако возникает вопрос: почему, собственно, химики уверены, что получилось именно химическое соединение, а не просто вынужденное соседство атомов, как в других структурах, например, в клатратах. И здесь в пользу нового химического вещества есть убедительные доказательства.

Как мы знаем, натрий – это металл, со всеми свойствами присущими металлам, главное из которых – способность проводить ток. Ток в металлах обусловлен свободными электронами, которые могут «путешествовать» внутри вещества. А что получилось, когда к натрию добавили гелий и сжали до колоссальных давлений? Если бы атомы гелия просто вошли внутрь структуры натрия, не взаимодействуя с ним, то свойства металла не подверглись бы существенным изменениям, по крайней мере, у такого вещества сохранились бы его металлические свойства.

Но в нашем случае картина получилась совершенно иная. Na₂He оказался электридным кристаллом, в котором место отрицательно заряженных ионов занимают локализованные пары электронов и который поэтому не может проводить ток. Таким образом, атомы гелия не только делают стабильным образующееся вещество (атомам «хорошо» вместе), но и кардинально меняют его электронную структуру, что вполне можно считать за образование химического соединения.

Это открытие, помимо знакового лишения гелия его «химической неприкосновенности», даёт нам совершенно новые представления о том, какие процессы могут происходить внутри планет, представляющих собой газовые гиганты (к которым относятся, например, Юпитер и Сатурн). Ведь гелий – второй по распространённости элемент во Вселенной, и чем больше мы узнаем о том, в каких состояниях он может существовать, тем лучше мы будем понимать, как устроен мир за пределами нашей планеты.

Напоследок еще раз подчеркнем, что в этом исследовании результат сначала был получен, образно говоря, на бумаге, и только затем уже был подтверждён на практике – в полном соответствии с афоризмом великого физика Густава Кирхгофа, который говорил, что «нет ничего практичнее хорошей теории».

Результаты исследований опубликованы в Nature Chemistry.