Posted in: Chemie 19. Dezember 2013 20:00 Weiter lesen →

Kochsalz kann auch anders

Grafik zeigt Würfel, an den Ecken violette Kugeln, in jeder Fläche 2 grüne Kugeln Kochsalz oder Natriumchlorid ist eine der Vorzeigesubstanzen der Chemie, da seine Kristalle besonders einfach und regelmäßig gebaut sind. Das gilt allerdings nur unter alltäglichen Bedingungen, hat eine internationale Forschergruppe nachweisen können. Unter hohem Druck können Natrium und Chlor demnach in verblüffenden Mengenverhältnissen zueinander finden, sodass exotisch anmutende Strukturen entstehen.

Elementarzelle von NaCl3 mit Natrium- und Chloratomen (violett bzw. grün), 1 Natriumatom im Zentrum ist nicht sichtbar. Grafik: Courtesy of Artem R. Oganov & Weiwei Zhang

„Wir haben verrückte Verbindungen vorhergesagt und erzeugt, die gegen die Lehrbuchregeln verstoßen“, erklärt Weiwei Zhang von der China Agricultural University in Peking und von der Universität im US-amerikanischen Stony Brook. Statt des vertrauten 1:1-Verhältnisses komme in diesen Verbindungen 1 Natriumatom auf 3 oder gar 7 Chloratome und umgekehrt. Damit nicht genug, sind einige der Exoten unerwartet stabil, berichtet die Gruppe um Zhang und ihren Kollegen Artem Oganov im Magazin „Science“.

Bereits seit einigen Jahren beobachten Physiker, Chemiker und Geowissenschaftler, dass wohlbekannte chemische Verbindungen unter hohem Druck ein unerwartetes Verhalten an den Tag legen können. Unter solchen Bedingungen wird die Stabilität einer Verbindung im zunehmenden Maß vom Raumbedarf der jeweiligen Kristalle bestimmt: je geringer, desto stabiler.

Grafik der Elementarzelle im Stabmodell, purperne Kugeln an den Ecken und im Zentrum eines Würfels, je 2 grüne in den Flächen Die Elementarzelle von NaCl3 als Stabmodell. Grafik: Courtesy of Artem R. Oganov & Weiwei Zhang

Zhang, Oganov und Kollegen, darunter auch Zuzana Konôpková vom Deutschen Elektronensynchrotron (DESY) in Hamburg, untersuchten nun das seltsame Paarungsverhalten von Natrium und Chlor unter extremen Bedingungen. Die aufwendigen Computerberechnungen der Forscher offenbarten gleich mehrere bislang unbekannte Verbindungen, die bei Drücken von mehr als 20 Gigapascal – entsprechend dem 200.000-Fachen des Atmosphärendrucks – stabil sein könnten.

Tatsächlich gelang es der Gruppe, zwei dieser Verbindungen in einer Hochleistungspresse mit einer laserbeheizten Druckzelle herzustellen. Das Natriumtrichlorid (NaCl3) bildet sich bei einem Überschuss von Chlor und bei Drücken zwischen 20 und 48 Gigapascal. Es zerfällt, wenn der Druck unter 18 Gigapascal sinkt. Dagegen taucht das Trinatriumchlorid (Na3Cl) bei einem Natriumüberschuss und erst jenseits von 60 Gigapascal auf, ist dann aber ebenfalls bis etwa 20 Gigapascal stabil. Seine Kristalle bestehen aus Schichten von Kochsalz, zwischen denen Schichten reinen Natriums liegen.

Die neuen Resultate könnten ein generelles Umdenken in der Chemie einläuten, ist Oganov überzeugt: „Schon bei einem vergleichsweise moderaten Druck von 200.000 Atmosphären – im Zentrum der Erde herrscht ein Druck von 3,6 Millionen Atmosphären – verliert viel von dem, was wir aus Chemielehrbüchern wissen, seine Gültigkeit.“

Forschung: Weiwei Zhang und Artem R. Oganov, Department of Applied Physics, China Agricultural University, Beijing, Department of Geosciences und Institute for Advanced Computational Science, State University of New York, Stony Brook, Moscow Institute of Physics and Technology und School of Materials Sciences, Northwestern Polytechnical University, Xian; Zuzana Konôpková, Deutsches Elektronensynchrotron (DESY), Hamburg; und andere

Veröffentlichung Science, Vol. 342, 20. Dezember 2013, pp 1502–5, DOI 10.1126/science.1244989

WWW:
Oganov Lab, Stony Brook University
Photon Science, DESY
Natriumchlorid, Kochsalz

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