Химики из Великобритании, Японии и Франции синтезировали два новых оксида ксенона — Xe₃O₂ и Xe₂O₅. Получить соединения ксенона удалось путем прямой реакции между инертным газом и кислородом при давлении немногим менее миллиона атмосфер. По словам авторов работы, результаты синтеза показывают, что реакционная способность ксенона выше, чем то предсказывали квантово-химические модели. Интерес к соединениям ксенона вызван низкой реакционной способностью инертных газов — исследования подобных веществ помогают лучше понять природу химических взаимодействий. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.

Эксперименты проводились в алмазной «наковальне» — ячейке с алмазными стенками, способной выдерживать огромные давления. Ученые вносили в нее смесь ксенона и кислорода, после чего поднимали давление в системе и подогревали газы лазером. 

Структура Xe₃O₂ Agnès Dewaele et al. / Nature Chemistry, 2016

Изменения в картине рентгеновской дифракции на образце внутри алмазной ячейки. Agnès Dewaele et al. / Nature Chemistry, 2016

Изменения в картине рентгеновской дифракции на образце внутри алмазной ячейки. Agnès Dewaele et al. / Nature Chemistry, 2016

Когда в исходной системе был значительный избыток кислорода, химики обнаружили образование неизвестной кристаллической фазы при давлении около 830 тысяч атмосфер. Пропуская сквозь ячейку рентгеновское излучение и измеряя рамановские спектры содержимого, авторы изучили свойства продукта. Путем компьютерных симуляций удалось выяснить, что вещество представляет собой оксид Xe₂O₅, в котором один из атомов ксенона имеет степень окисления +4, а другой +6. Химики предсказывают, что его кристаллическая структура состоит из квадратных фрагментов, в которых ксенон связан с четырьмя атомами кислорода([XeO₄]), к тому же, половина атомов ксенона оказывается связанной еще с одним кислородом, формируя четырехугольную пирамиду.

Изменив соотношение реагентов в пользу ксенона (8:1 Xe:O) ученые увидели формирование другого кристаллического вещества при достижении в ячейке 970 тысяч атмосфер. Согласно компьютерному моделированию, новый оксид имел формулу Xe₃O₂. Две трети атомов ксенона в ней имеют степень окисления 0, как и простое вещество, оставшиеся атомы выстраиваются в цепочки из квадратов [XeO₄] — степень окисления ксенона в них равна +4. Интересно отметить, что этот оксид был предсказан ранее в теоретических работах.

По оценкам авторов, полученные оксиды устойчивы вплоть до давлений в полмиллиона атмосфер. Ниже этой отметки их существование энергетически невыгодно и они, скорее всего, разрушатся. Оксиды расширяют небольшой список известных соединений ксенона с кислородом.

Ксенон — самый реакционноспособный представитель группы благородных (или инертных) газов, к которой также относятся гелий, неон, аргон и криптон. Впервые соединения ксенона были получены лишь в 1962 году Нилом Бартлеттом — химик ввел в реакцию с ксеноном гексафторид платины, один из сильнейших окислителей, известных на тот момент. В результате образовалось твердое оранжевое вещество, которому Бартлетт приписал формулу «Xe+[PtF6]−». Позже оказалось, что скорее всего ученый получил смесь солей ксенона более сложного строения. 

Сегодня известны фториды ксенона XeF₂, XeF₄ и XeF₆, а также оксиды XeO₃, XeO₄ и XeO₂ и некоторые соответствующие им соли. Кроме того описано около ста ксенонорганических соединений. 

Высокие давления — часто используемый инструмент для получения необычных материалов и химических веществ. Так, при давлениях порядка двух миллионов атмосфер типичный металл натрий становится диэлектриком, графит превращается в лонсдейлит, в окиси азота возникают сверхпроводящие свойства, а cероводород так и вовсе бьет рекорды сверхпроводимости. 

Автор: Владимир Королёв