Самая длинная
двухатомная молекула

Химия в некотором отношении – условная наука. Ярким примером относительности понятий «химическая инертность» или «устойчивость химических соединений» служит недавно осуществленный синтез молекулы He₂ – двухатомного гелия.
Мы привыкли к тому, что одни вещества обладают высокой реакционной способностью, другие – низкой или полностью инертны к любым химическим реагентам. Есть устойчивые и неустойчивые вещества. Однако реакционная способность и устойчивость химических соединений проявляются в конкретных внешних условиях. Недаром табличные термодинамические свойства веществ приводятся при нормальных условиях, т. е. при давлении 1 атм и температуре 298,15 К.
Стоит изменить внешние условия, как самые привычные, описанные во множестве учебников свойства веществ меняются. Например, при намораживании каких-либо двух простых веществ или несложных соединений вместе с атомами инертных газов на охлаждаемую жидкими газами поверхность (при синтезе в инертных матрицах) получают необычные, неустойчивые в других условиях молекулы. Синтезы в инертных матрицах уже давно стали привычными.
Результаты нового, сенсационного исследования опубликованы в августе 2003 г. в журнале «Physical Review Letters» («Письма в физическое обозрение», т. 91, № 7, с. 73 203), а выполнила это исследование группа французских ученых из парижской Ecole Normale SupeRriore.
Газообразный гелий охладили в магнитной ловушке до очень низкой температуры – около одной стотысячной доли кельвина – и при облучении лазером с определенной частотой испускаемого света получили молекулы гелия.
Механизм процесса примерно таков. Под воздействием фотонов электроны атомов гелия несколько смещаются относительно положительно заряженных ядер, создаются электрические дипольные моменты, и атомы начинают не только реагировать на внешнее поле, но и притягиваться друг к другу. В рабочем объеме одновременно возникают сотни тысяч молекул Не₂.
Молекулы, о которых идет речь, весьма необычны. Связи между атомами в них очень слабые, и межатомные расстояния гигантские по атомным меркам: около 100 нм (нанометров)! Сравним с межатомными расстояниями в молекулах обычных двухатомных газов: в Н₂ – 0,074 нм, в N₂ – 0,109 нм, в О₂ – 0,116 нм, в F₂ – 0,142 нм. Самая большая длина связи в I₂ – 0,267 нм.
В неустойчивых двухатомных молекулах благородных газов Ne₂, Ar₂ и Xe₂ (при определенных условиях образуются и такие) межатомные расстояния равны соответственно 0,20, 0,457 и 0,4029 нм. Более длинных связей в двухатомных молекулах не было известно. В двухатомном ионе
ядра атомов находятся на расстоянии 0,108 нм. Правда, если судить по величинам атомных и ионных радиусов, то рекордной длиной связи (больше 0,5 нм) могла бы «похвастаться» молекула Fr₂.
Постойте, но ведь двухатомные молекулы и ионы благородных газов и металлов в обычных условиях неустойчивы и образуются лишь при низких температурах, да и «живут» короткое время. А двухатомный гелий? Увы, он и здесь рекордсмен, его время жизни всего около 15 нс. Но эта двухатомная молекула существует и может быть внесена в Книгу рекордов Гиннесса.
Известно, что при температурах и давлениях, отличных от обычных для поверхности Земли, устойчивы самые разные химические соединения. В атмосфере Солнца, например, присутствуют атомарный водород и ионизированные металлы, причем некоторые из них имеют очень большой заряд. Обнаружены молекулы CN, C₂, CH, NH, CaH, AlH, SiH, SiF, TiO, ZrO и др. Твердь планет-гигантов в отличие от тверди земной образована водородом, метаном и аммиаком.
Но существует ли такой уголок Вселенной, в котором устойчивы молекулы гелия? Пока на этот вопрос трудно ответить утвердительно. Температура в космическом пространстве вдали от звезд близка к 3 К. Своеобразным естественным «полюсом холода» может считаться туманность Бумеранг, в которой за счет быстрого истечения газов температура опустилась до 1 К. Для двухатомного гелия это слишком тепло.
А вот в земных лабораториях рекордной является температура, равная половине миллиардной доли кельвина. Достигнута она тем же путем, что и в Париже, американскими учеными из MIT-Harvard Centre for Ultra-Cold Atoms (Центр ультрахолодных атомов, организованный совместно Массачусетсским технологическим институтом и Гарвардским университетом, г. Кембридж, США). Именно до такой температуры удалось охладить 2500 атомов натрия, чтобы получить новое, пятое состояние вещества (четвертым считается плазма). Здесь атомы утрачивают свою индивидуальность, их совокупность ведет себя как единый «атомный снежок». Этот макроскопический «снежок» обладает волновыми свойствами, поэтому говорить о его химии вряд ли можно. Для химических веществ требуется все же более теплый климат.

Материал подготовил
Э.Г.РАКОВ