Устойчивый цикл из пяти атомов азота теоретически может стать заменой углеродному топливу.
Некоторые химики весьма неравнодушны к различным циклическим молекулам, в которых есть замкнутая сама на себя цепочка атомов. В чём причина повышенного интереса к таким соединениям, вряд ли можно узнать достоверно: может быть, кого-то привлекают мифическо-алхимические аллюзии на древнего уробороса; кто-то, возможно, чувствует тайную симпатию к геометрически правильному бензольному кольцу, старательно вырисовываемому ещё в школьной тетради. Вооружённые навыками химического синтеза, «любители циклов» собирают в лабораториях самые разнообразные молекулы, как полезные с практической точки зрения, так и из разряда «смотрите, как мы умеем».
Одна из кристаллических структур полученного пентазолата цезия (CsN5). (Иллюстрация Brad A. Steele et al., из оригинальной статьи, Chem. Mater. 2016.)Одна из кристаллических структур полученного пентазолата цезия (CsN5). (Иллюстрация Brad A. Steele et al., из оригинальной статьи, Chem. Mater. 2016.)
Свободнее всего в этом смысле химики обращаются с атомами углерода, которые охотно соединяются во всевозможные кольца – малые, большие и очень большие. Например, существует некое соединение из группы циклоалканов, чьё кольцо состоит из 288 атомов. Куда меньше возможностей даёт азот: циклических структур с ним известно на порядки меньше. Синтезировать кольца с азотом сложнее, да и устойчивость у них так себе, но интересные химические свойства таких соединений по-прежнему вдохновляют исследователей.
Однако отбросим лирику. Чем могут быть полезны циклические молекулы из азота? Ответ – энергией. Обычная молекула азота, состоящая из двух атомов (N2), чрезвычайно устойчива, потому что её атомы связаны между собой прочной тройной связью. Чтобы заставить N2 вступить в химическую реакцию, нужно разорвать хотя бы одну из связей, что требует довольно много энергии. В живом мире этим тяжёлым химическим трудом занимаются азотофиксирующие бактерии, в то время как все другие организмы предпочитают не напрягаться и пользоваться уже «переработанным» азотом. Но если с азотом так трудно иметь дело, то какой может быть от него энергетический толк?
И тут самое время вспомнить, что энергия в нашем мире никуда бесследно не исчезает и ниоткуда не появляется. Иными словами, что если мы тратим энергию на разрыв молекулы на атомы, то при обратном процессе – образовании молекулы из атомов – эта самая молекула вернёт нам всю затраченную энергию. А ежели мы собираем молекулы не из отдельных атомов, а из других молекул, то энергетический эффект от реакции будет зависеть от того, насколько различаются по прочности химических связей реагенты и конечный продукт. Если у вас, к примеру, есть какое-то сложное соединение из атомов азота, и вы превращаете его в обычный двухатомный N2, то помимо самого инертного газа в качестве бонуса вы получите определённое количество полезной теплоты.
Преимущество такого гипотетического азотного топлива состоит не только в энергоёмкости, но и, что немаловажно, в экологичности. При его «сгорании» (здесь мы имеем в виду превращение в молекулярный азот, а не окисление кислородом) выделяется лишь безвредный N2, которого в окружающем нас воздухе и так без малого три четверти. В то время как при сгорании органического топлива в лучшем случае образуется углекислый газ, а то и более вредные вещества.
Правда, получить это прекрасное топливо не так просто. Одними из потенциальных кандидатов на роль такого «азотного бензина» стали циклические молекулы, состоящие из пяти атомов азота. Однако в чистом виде подобные циклы неустойчивы и быстро распадаются. Поэтому, чтобы получить вожделенный азотный пентагон, исследователям из Ливерморской национальной лаборатории пришлось затратить немало усилий. В качестве исходных веществ они взяли азид цезия и обычный азот, а затем создали в реакционной смеси колоссальное давление – порядка 40 ГПа (400 тысяч атмосфер), и в довершение хорошенько нагрели реагенты лазером. В результате получилось кристаллическое вещество, в состав которого входят ионы цезия и отдельные пятичленные циклы, целиком состоящие из одних только атомов азота. Подробно процедура синтеза описана в статье в Chemistry of Materials.
На сегодняшний день это первый успешный эксперимент, в котором удалось синтезировать подобные устойчивые соединения азота в виде кристалла. Впрочем, их устойчивость относительна: полученный пентазолат цезия (именно так называется то, что получилось) хоть и может «жить» при комнатных температурах, всё-таки требует ещё и относительно высокого давления, без которого он распадается на части.
С другой стороны, присутствие атомов цезия в составе соединения немного не соответствует идеям экологичности, на случай если мы всё-таки захотим использовать такие вещества, как говорится, в народном хозяйстве. Так что о решении проблемы получения зелёного топлива говорить ещё слишком рано. Сами же исследователи отмечают, что их работа в первую очередь показывает новый экспериментальный путь для получения уникальных и редких соединений, недоступные в обычных методах химического синтеза.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение