Szlachetny - nieszlachetny, czyli co chemik robi z helem

Hel jest jednym ze 117 znanych dziś pierwiastków chemicznych. W układzie okresowym zajmuje drugie miejsce, co oznacza że ma najmniejszą masę atomową spośród wszystkich znanych pierwiastków poza wodorem. - Hel jest za to najmniejszym znanym obecnie atomem. Jeśli za pomocą magicznej lupy powiększymy go miliard razy, otrzymamy obiekt wielkości moreli, o średnicy zaledwie 6 cm. Atom helu przypomina maleńką, bardzo twardą, niemal nieplastyczną kuleczkę, która potrafi sprężyście odbijać się od wszelkich obiektów. Także od innych atomów helu. Dlatego tak trudno się skrapla - dopiero w temperaturze prawie -270°C zmienia się w ciecz. W takiej postaci jest używany jako doskonałe, choć bardzo drogie, chłodziwo - tłumaczy Wojciech Grochala.

Z kolei przed skropleniem jest gazowym odpowiednikiem metra z Sèvres: doskonałym wzorcem ciśnienia i ściśliwości. - Ale hel, poza swoimi wieloma zaletami, jest dość uparty i nie chce łączyć się z innymi pierwiastkami - opowiada badacz. - Dlatego właśnie został uznany za gaz szlachetny. Można nawet powiedzieć, że najbardziej szlachetny ze szlachetnych.

Do grupy gazów szlachetnych zalicza się hel, neon, argon, krypton, ksenon i radon. Jedną z podstawowych własności najlżejszych spośród tych pierwiastków jest to, że w zasadzie nie reagują z innymi. Powszechnie uznaje się, że dwa pierwsze nie wchodzą w żadne reakcje, argon zaś reaguje jedynie w bardzo niskich temperaturach, a powstałe w ten sposób związki natychmiast rozpadają się w temperaturze pokojowej. Prace nad wiązaniem gazów szlachetnych z innymi pierwiastkami cały czas trwają. Jednym z ich wyników jest to, że ławo zachęcić taki gaz do reakcji syntezy, gdy atomy gazu naładuje się elektrycznie dodatnio. - Od dawna znane są trwałe kationy helu, np. HeH+. Jednak zawarty dawno konsensus środowiska chemików mówi, że aby uznać jakiś związek za -prawdziwy- musi być obojętny elektrycznie. To znaczy, że kationy i aniony, czyli obiekty naładowane dodatnio lub ujemnie, od razu wypadają z gry - tłumaczy profesor.

W swoich badaniach Grochala opracował modele dwóch cząsteczek, które zawierają atomy helu i jednocześnie są elektrycznie obojętne. Te cząsteczki to: CsFHeO i NMe₄FHeO. - Najpierw powstały w mojej głowie, później w trzewiach superkomputerów ICM - żartuje badacz. - Ze swoich wcześniejszych badań oraz z literatury wiedziałem, że anion [F-HeO] powinien wykazywać anomalną trwałość.

Postanowiłem zatem doczepić do niego bardzo słabo koordynujące kationy, to znaczy takie, które nie będą usiłowały zbyt mocno naruszyć jego struktury poprzez oderwanie anionu fluorkowego. Jednym z tych kationów jest wielki nieorganiczny kation cezu (Cs⁺), drugim jeszcze większy i dobrze znany organiczny kation tetrametyloammoniowy (NMe4⁺) - wymienia jednym tchem. - W tej chwili, dzięki możliwościom, jakie daje modelowanie komputerowe, łatwo można też zaproponować kolejne cząsteczki. Jak się wydaje, zaprojektowane przez Grochalę cząsteczki będą się również charakteryzować tzw. trwałością kinetyczną, metatrwałością. Oznacza to, że w odpowiednio niskiej temperaturze, będą jakby zamrożone, czyli nie będą -szukać- dla siebie innego, korzystniejszego stanu energetycznego. - Metatrwałe są np. hałdy węgla kamiennego zalegające bez samozapłonu w powietrzu atmosferycznym i takie właśnie powinny być również obie cząsteczki. Jednak w zbyt wysokiej temperaturze, np. -100°C, nasi bohaterowie znikną bez śladu - tłumaczy chemik. Cząsteczki te, podobnie jak inne związki gazów szlachetnych mogłyby powstać wyłącznie w niskich temperaturach, czyli co najwyżej przy -250°C.
Teraz eksperymentaliści mają przed sobą najtrudniejszy etap prac: syntezę związków. Jak mówi sam badacz, można próbować zsyntezować je z odpowiednich podfluorynów, CsOF i NMe4OF, umieszczonych w ultra-zimnej kropli helowej. Układ taki trzeba poddać wzbudzeniu laserowemu tak, by rozerwać nietypowe wiązanie chemiczne O-F i dokonać, jak to się mówi w chemii insercji atomu helu w to wiązanie. Tyle teoria. - W praktyce na upragniony produkt czyha wiele niebezpieczeństw. Poza tym nie każdą reakcję, którą łatwo zapisać na papierze, równie łatwo można przeprowadzić w laboratorium - mówi badacz.
Jeśli badania się powiodą i związki opracowane przez Grochalę zostaną zsyntezowane, przełamany zostanie paradygmat szlachetności najlżejszego z gazów szlachetnych. Wtedy odpowiedź na pytanie: -czy hel jest gazem szlchetnym-, nie będzie już taka prosta.