Un composto stabile dell’elio: l’eliuro di sodio

Rinaldo Cervellati

Nel febbraio 2017, Stefano Parisini diede sull’INAF (Notiziario on-line dell’Istituto Nazional e di Astrofisica) la notizia della scoperta di un composto stabile del gas nobile elio con il sodio, con stechiometria Na2He*.

Scrive Parisini che l’articolo definitivo su questa importante scoperta è stato pubblicato su Nature Chemistry [1] dopo una lunga gestazione. Ho voluto ripercorrerne la storia, poiché l’ho trovata molto istruttiva.

Una prima versione fu sottoposta il 16 settembre 2013 e una seconda il giorno dopo [2]. In queste versioni i sei autori, cinque cinesi (fra i quali Hui-Tian Wang[1]) e il russo Artem Oganov[2], riportano la previsione teorica dell’esistenza e della struttura cristallina cubica (tipo fluorite) del composto fra l’elio e il sodio, stabile a pressioni maggiori di 160 GPa (ca. 1,6´106 atm). Essi razionalizzano anche la stabilità di questo composto in termini di teoria degli orbitali. Queste versioni non furono pubblicate.

Struttura cristallina di Na2He [1]

Il 10 luglio 2014 fu sottoposta una terza versione della ricerca [3]. Ai sei autori delle versioni precedenti se ne aggiunsero diversi altri, fra cui l’italiano Carlo Gatti[3]. In questa versione sono riportati calcoli più accurati che danno la molecola Na2He termodinamicamente stabile sopra 113 GPa (ca. 1,12´106 atm) e la previsione di un nuovo composto dell’elio con stechiometria Na2HeO, stabile da 13 GPa. Anche questa versione non fu pubblicata.

I ricercatori decisero comunque di presentare una comunicazione al XXIII Congresso dell’International Union of Crystallography, svoltosi a Montreal (Canada) dal 5 al 12 agosto 2014. Il testo della comunicazione fu pubblicato da Acta Crystallografica negli Abstracts of XXIII IUCr [4].

Artem Oganov (a sinistra) Carlo Gatti (a destra)

Ma il gruppo internazionale di scienziati (cinesi, russi, italiani, greci, americani) dovrà aspettare più di due anni per vedere pubblicata la ricerca, cioè non prima di aver provato la reale esistenza di Na2He, oggi chiamato eliuro di sodio (IUPAC: disodio eliuro).

Anzitutto ulteriori più raffinati calcoli su possibili altri elementi che potrebbero formare composti con l’elio (O, F, Na, K, Mg, Li, Rb, Cs, ecc.) mostrarono che solo il sodio avrebbe potuto facilmente formare un composto stabile con He alle pressioni accessibili a esperimenti statici.

Per ottenere Na2He, gli scienziati hanno utilizzato uno strumento particolare, una cella a incudini di diamante, un’apparecchiatura che permette di generare pressioni altissime e di studiare la struttura tramite diffrattometria a raggi X, simile a quella di cui abbiamo parlato nel post sul ghiaccio superionico[4].

Cella a incudini di diamante: schema (a sinistra) apparecchiatura (a destra)

Il composto Na2He è stato ottenuto a una pressione pari a circa 1,1 milioni di volte quella dell’atmosfera terrestre, in accordo con il valore calcolato, e resta stabile anche a pressioni circa 10 volte superiori.

Carlo Gatti, intervistato da Parisini, dice:

Questa scoperta dimostra che l’elio non è completamente inerte come si pensava. In certe condizioni può formare dei composti stabili e addirittura assumere una carica negativa. Di fatto, quello che capita è la creazione di coppie elettroniche che occupano alternativamente le posizioni dell’elio.

E aggiunge:

Na2He appartiene infatti alla categoria dei cosiddetti elettruri, materiali cristallini simili a sali, essendo costituito da un reticolo di ioni sodio carichi positivamente all’interno del quale si trova un sottoreticolo carico negativamente formato da coppie di elettroni localizzate.

Tali coppie di elettroni isolati hanno una topologia della densità elettronica che assomiglia a quella di un atomo, per cui possiamo vedere in questo composto la presenza di sodio depauperato di elettroni, elio leggerissimamente carico negativamente, e queste coppie elettroniche, che formano una struttura ordinata tipo fluorite [fluoruro di calcio CaF2].

Funzione di localizzazione elettronica tracciata in un piano cristallino [1]

Il nuovo composto, qualunque nome avrà, difficilmente troverà applicazioni pratiche, nel caso si potesse mai produrre su scala industriale. È tuttavia di grande interesse per l’astrofisica, vista l’abbondanza dell’elio nel cosmo e la presenza di pressioni e temperature più estreme di quelle ottenute in laboratorio.

*S. Parisini, L’elio non è più solo: sotto pressione si combina, Media INAF, 7 Febbraio 2017 https://www.media.inaf.it/2017/02/07/lelio-non-e-piu-solo-sotto-pressione-si-combina/

Bibliografia

[1] Xiao Dong et al., A stable compound of helium and sodium at high pressure., Nature Chemistry, 2017, 9, 440-445.

[2] Xiao Dong et al., Stable Compound of Helium and Sodium at High Pressure., September 17, 2013, arXiv:1309.3827v2 [cond-mat.mtrl-sci], https://arxiv.org/abs/1309.3827v2

[3] Xiao Dong et al., Stable Compound of Helium and Sodium at High Pressure., July 10, 2014, arXiv:1309.3827v3 [cond-mat.mtrl-sci], https://arxiv.org/abs/1309.3827v3

[4] G. Saleh et al. Stable Compound of Helium and Sodium at High Pressure., Acta Cryst. 2014, A70, C617.

[1] Hui-Tian Wang, Nankai University, Tianjin, China and National Laboratory of Solid State Microstructures, Nanjing University, China

[2] Artem R. Oganov (1975-) è un cristallografo teorico russo, mineralogista, chimico, fisico e scienziato dei materiali. È conosciuto soprattutto per i suoi lavori sulla previsione computazionale di nuovi materiali e sulla loro struttura cristallina.

[3] Carlo Gatti, ricercatore senior dell’Istituto di Scienze e Tecnologie Molecolari del CNR di Milano, esperto in teoria del legame chimico, si occupa delle proprietà chimico fisiche dei materiali e della loro modellizzazione teorica.

[4] https://ilblogdellasci.wordpress.com/2019/06/10/ghiaccio-superionico-ottenuto-in-laboratorio/

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