Пентагон из азота
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».
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.
