Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Salzige Überraschung - Forscher finden "verbotene" Verbindungen von gewöhnlichem Kochsalz

20.12.2013
Bei Hochdruck-Experimenten mit gewöhnlichem Kochsalz haben Forscher neue chemische Verbindungen hergestellt, die es Chemie-Lehrbüchern zufolge gar nicht geben dürfte.

Die Studie an DESYs Röntgenquelle PETRA III und anderen Forschungszentren könnte ein neues, universelleres Verständnis der Chemie sowie neuartige Anwendungen ermöglichen, wie die Forschergruppe unter Leitung von Prof. Artem Oganov von der Stony Brook University (State University of New York) und Prof. Alexander Goncharov von der Carnegie Institution in Washington im Fachjournal "Science" berichtet.


Die Elektronenlokalisation in der kubischen NaCl3-Struktur. Abbildung: Artem Oganov/Stony Brook University

Kochsalz, mit chemischem Namen Natriumchlorid (NaCl), ist eine der bekanntesten, meist untersuchten und stabilsten Verbindungen. Seine chemische Zusammensetzung ist denkbar einfach: Je ein Natriumatom (Na) und ein Chloratom (Cl) formen das kubische Salzgitter. Das gilt zumindest unter normalen Druck- und Temperaturbedingungen. Andere Verbindungen der beiden chemischen Elemente sind nach den Regeln der klassischen Chemie verboten.

So besagt etwa die Oktett-Regel, dass alle chemischen Elemente den Zustand der Edelgase anstreben. Diese besitzen jeweils acht Elektronen in ihrer äußeren Schale, die damit vollständig gefüllt ist; Chemiker nennen das abgeschlossen. Natrium hat gerade ein einzelnes Atom zu viel für eine abgeschlossene äußere Schale, Chlor fehlt dagegen genau eines. Tun sich beide zusammen, gibt das Natrium sein überzähliges Elektron an das Chlor ab, so dass beide Atome eine abgeschlossene äußere Schale mit jeweils acht Elektronen erreichen. So entsteht eine starke Ionenbindung.

Unter extremen Bedingungen sieht das jedoch anders aus, wie die Wissenschaftler beobachtet haben. Sie hatten Kochsalz unter 200.000fachem Atmosphärendruck und mehr komprimiert und erhitzt, wobei sie entweder eine Extraportion Natrium oder Chlor mit in die Probenkammer gaben. Mit dem hellen Röntgenlicht von PETRA III beobachteten sie das Ergebnis und stießen dabei auf "verbotene" Verbindungen wie Na3Cl und NaCl3.

"Anknüpfend an theoretische Vorhersagen haben wir die Proben unter Druck für eine Weile mit Lasern erhitzt", erläutert DESY-Forscherin und Koautorin Dr. Zuzana Konôpková, die die Experimente an DESYs Extreme Conditions Beamline P02 (ECB) unterstützt hat. "Wir haben überraschenderweise andere stabile Verbindungen von Natrium und Chlor gefunden." Das ist ungewöhnlich, denn diese Verbindungen erfordern ganz andere chemische Bindungen mit einer höheren Energie, wobei die Natur stets den Zustand geringster Energie bevorzugt.

Oganovs Team hatte zuvor bereits berechnet, dass sich unter extremen Bedingungen exotische Verbindungen bilden könnten, die dann unter diesen Bedingungen auch stabil bleiben. "Wir haben verrückte Verbindungen vorhergesagt und erzeugt, die gegen die Lehrbuchregeln verstoßen: NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl, und Na3Cl,” sagt Hauptautorin Dr. Weiwei Zhang aus Oganovs Team. An PETRA III und im Labor der Carnegie Institution prüften die Wissenschaftler die Vorhersagen in sogenannten "Cook and Look"-Experimenten, wobei sie besonders die am leichtesten zu erzeugenden Verbindungen Na3Cl und NaCl3 ins Visier nahmen und diese tatsächlich nachweisen konnten.

"Diese Verbindungen sind thermodynamisch stabil und bleiben das auch, sobald sie einmal erzeugt wurden", betont Zhang. "Die klassische Chemie verbietet ihre Existenz. Die klassische Chemie sagt auch, dass Atome versuchen, die Oktett-Regel zu erfüllen - die Elemente nehmen oder geben Elektronen, um die Elektronenkonfiguration des nächsten Edelgases zu erreichen, mit einer voll besetzten äußeren Elektronenschale, was sie sehr stabil macht. Nun ja, hier ist diese Regel nicht erfüllt."

Die Experimente können den Blick der Chemie erweitern, betonen die Autoren. "Ich denke, diese Arbeit ist der Anfang einer Revolution in der Chemie", ist Oganov überzeugt. "Wir haben bereits bei vergleichsweise niedrigen Drücken, die sich im Labor erreichen lassen, vollkommen stabile Verbindungen gefunden, die den klassischen Regeln der Chemie widersprechen. Schon bei einem vergleichsweise mäßigen Druck von 200.000 Atmosphären - im Zentrum der Erde herrscht ein Druck von 3,6 Millionen Atmosphären - verliert viel von dem, was wir aus Chemie-Lehrbüchern wissen, seine Gültigkeit."

Ein Grund für die überraschende Entdeckung ist, dass die Lehrbuchchemie üblicherweise für die sogenannten Normalbedingungen gilt. "Hier auf der Erdoberfläche sind diese Bedingungen vielleicht normal", erläutert Konôpková. "Aber wenn man auf das Universum als Ganzes blickt, sind sie ziemlich speziell." Was "verboten" unter irdischen Normalbedingungen ist, kann unter extremen Bedingungen möglich werden. "'Unmöglich' bedeutet tatsächlich, dass die Energie hoch ist", sagt Oganov. "Die Regeln der Chemie sind nicht wie mathematische Theoreme, die nicht gebrochen werden können. Die Regeln der Chemie lassen sich brechen, denn 'unmöglich' ist eingeschränkt unmöglich. Man muss nur die Bedingungen finden, unter denen sich die Energiebilanz ändert, und dann gelten die Regeln nicht mehr."

Abgesehen von ihrer fundamentalen Bedeutung kann die Entdeckung auch zu neuen Anwendungen führen. "Wenn man das theoretische Fundament der Chemie verändert, ist das eine große Sache", betont Goncharov. "Was es aber auch bedeutet, ist, dass wir neue Materialien mit exotischen Eigenschaften herstellen können." Unter den Verbindungen, die die Gruppe um Oganov erzeugt hat, sind beispielsweise zweidimensionale Metalle, in denen Strom entlang der Strukturschichten fließt. "Eines dieser Materialien - Na3Cl - hat eine faszinierende Struktur", berichtet Oganov. "Es besteht aus NaCl-Schichten und Schichten reinen Natriums. Die NaCl-Schichten wirken als Isolatoren, die reinen Natriumschichten leiten den Strom. Systeme mit zweidimensionaler elektrischer Leitfähigkeit haben eine Menge Interesse geweckt."

Die Kochsalzexperimente sind möglicherweise erst der Anfang der Entdeckung völlig neuer Verbindungen. "Wenn dieses einfache System in der Lage ist, sich unter Hochdruck in so eine vielfältige Reihe von Verbindungen zu verwandeln, dann gilt das für andere wahrscheinlich auch", erwartet Goncharov. "Das könnte helfen, offene Fragen etwa zu jungen Planetenkernen zu beantworten, aber auch, neue Materialien von praktischem Nutzen zu erzeugen."

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

Originalveröffentlichung
“Unexpected stable stoichometries of sodium chloride”; Weiwei Zhang, Artem R. Oganov, Alexander F. Goncharov, Qiang Zhu, Salah Eddine Boulfelfel, Andriy O. Lyakhov, Elissaios Stavrou, Maddury Somayazulu, Vitali B. Prakapenka, Zuzana Konôpková; Science, 2013; DOI: 10.1126/science.1244989

Dr. Thomas Zoufal | idw
Weitere Informationen:
http://www.desy.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Bakterieller Untermieter macht Blattnahrung für Käfer verdaulich
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

nachricht Neues Werkzeug für gezielten Proteinabbau
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte