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Estructura cristalina de Na2He, que se asemeja a un tablero de ajedrez tridimensional. Las esferas moradas representan átomos de sodio, que están dentro de los cubos verdes que representan átomos de helio. Las regiones rojas dentro de los vacíos de la estructura muestran áreas donde residen pares de electrones localizados. Crédito: Artem R. Oganov.

El helio es el segundo elemento más abundante en el universo, solo superado por el hidrógeno. A pesar de su ubicuidad virtual, el helio no es un jugador de equipo, ya que no reacciona en absoluto con ningún otro elemento, como le dirá cualquier estudiante de primer año de química. Pero mientras que el helio es inerte en la atmósfera de la Tierra, dentro del núcleo del planeta es un asunto completamente diferente. Las presiones extremas hacen que el helio altere su química y le permita reaccionar con el sodio, según un consorcio internacional de científicos.

El primero de los elementos nobles.

El helio no es reactivo porque tiene una configuración electrónica de capa cerrada. Como está completamente lleno, no está contento con compartir o ceder electrones. Tal es el caso de todos los gases nobles, un selecto club en el que también se encuentran el neón, el argón, el criptón, el xenón y el radón.

En los primeros días de la química experimental, los científicos arrojaron todo lo que tenían sobre estos elementos para provocar una reacción, pero fue en vano. En 1924, el austriaco Friedrich Paneth pronunció el consenso. La falta de reactividad de los elementos de los gases nobles pertenece al más seguro de todos los resultados experimentales, escribió.

Sin embargo, esta declaración aparentemente decisiva no convenció a todos y, a lo largo de los años, una serie de científicos valientes o tontos, lo que te plazca, intentaron reaccionar con elementos nobles. Finalmente, en 1962, el químico británico Neil Bartlett, que trabajaba en la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, Canadá, logró hacer reaccionar el xenón con el compuesto hexafluoruro de platino (PtF 6 ), que había sido fabricado solo tres años antes por químicos estadounidenses. El compuesto resultante XePtF 6 xenón hexafluoroplatinato fue el primer compuesto de gas noble.

Muchos otros compuestos de Xenon y Krypton siguieron poco después. Luego compuestos de radón y, en 2000, también de argón. En el mismo año, investigadores alemanes crearon un compuesto de xenón y oro, siendo este último un metal noble que se suponía que tampoco era reactivo.

Sin embargo, el helio, dada su configuración electrónica extremadamente estable, ha eludido todas las demás incursiones anteriores.

La persistencia es clave

Tomando como referencia estos primeros momentos inspiradores de la química, un equipo internacional de investigadores procesó los números para ver si el helio puede o no reaccionar con algo. El equipo fue dirigido por el Prof. Artem R. Oganov, profesor de la Universidad de Stony Brook y jefe del laboratorio de Descubrimiento de Materiales Computacionales en el Instituto de Física y Tecnología de Moscú.

Sus modelos informáticos sugieren que, de hecho, puede formar compuestos estables, a saber, Na2He y Na2HeO. Inicialmente, los resultados sugirieron que el compuesto de Na2He consiste en cubos de Na8, de los cuales la mitad estaban ocupados por átomos de helio y la otra mitad estaban vacíos.

Representación de bola y palo, a la izquierda, y representación poliédrica, a la derecha, del análisis de enlace químico de la estructura del Na2He, donde la mitad de los cubos de Na8 están ocupados por átomos de He (mostrados como poliedros) y la otra mitad por dos electrones (mostrados como esferas rojas). .). Los átomos rosas y grises representan Na y He, respectivamente. Crédito: Ivan Popov/Universidad Estatal de Utah

Sin embargo, cuando realizamos un análisis de enlace químico de estas estructuras, encontramos que cada cubo vacío en realidad contenía un enlace de dos electrones de ocho centros, dijo Alex Boldyrev, profesor de la Universidad Estatal de Utah. Este vínculo es el responsable de la estabilidad de este compuesto encantador.

A medida que exploramos la estructura de este compuesto, fuimos descifrando cómo se produce este enlace y predijimos que, agregando oxígeno, podríamos crear un compuesto similar, dijo el estudiante de doctorado Ivan Popov.

Después de que se predijeran los dos compuestos de He, los investigadores los sintetizaron experimentalmente utilizando una celda de yunque de diamante en la Carnegie Institution for Science en Washington. El compuesto Na2He se formó cuando la presión alcanzó 1,1 millones de veces la presión atmosférica de la Tierra. Las predicciones sugieren que el compuesto puede permanecer estable incluso a presiones diez millones de veces mayores. Se encontró que Na2HeO era estable en el rango de presión de 0,15 a 1,1 millones de bares.

No es un enlace real en el sentido de los enlaces iónicos y covalentes que aprendiste en química, explicó Popov. Pero [el helio] estabiliza la estructura. Si quita esos átomos de helio, la estructura no será estable.

Se utilizó una técnica similar para formar hidrógeno metálico, noticia que informamos la semana pasada.

Ambos compuestos son cristales iónicos, un electrido para ser precisos con estructuras similares. Na2He tiene una subred cargada positivamente de iones de sodio y una subred cargada negativamente de pares de electrones localizados, lo que hace que el compuesto sea un aislante. Na2He tiene oxígeno cargado negativamente en forma de O2 en lugar de los pares de electrones, como se informa en Nature Chemistry.

El compuesto que descubrimos es muy peculiar: los átomos de helio en realidad no forman ningún enlace químico, pero su presencia cambia fundamentalmente las interacciones químicas entre los átomos de sodio, obliga a los electrones a ubicarse dentro de los vacíos cúbicos de la estructura y hace que este material sea aislante, dice Xiao Dong, el primer autor de este trabajo, que era un estudiante visitante a largo plazo en el laboratorio de Oganov en el momento en que se realizó este trabajo.

Este es claramente un trabajo exótico. Los hallazgos ilustran cómo lo imposible es posible a veces si te lo propones.

¡Fue un buen día para la ciencia!

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