Dic 20, 2013
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Científicos convierten la sal común de mesa en formas imposibles para la química

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Experimentos de alta presión con la sal común de mesa han producido nuevos compuestos químicos que no deberían existir según las reglas de los libros de texto de química. El estudio realizado en la fuente de rayos X PETRA III del DESY y en otros centros podría allanar el camino hacia una comprensión más universal de la química y nuevas aplicaciones, como informa en ‘Science’ un equipo internacional de científicos dirigido por el profesor Artem Oganov, de la Universidad Estatal de Nueva York, en Stony Book, Estados Unidos, y el profesor Alexander Goncharov, de la Institución Carnegie, en Washington.

La sal de mesa, también conocida como cloruro de sodio o NaCl, es uno de los compuestos químicos más conocidos y estudiados. Se cristaliza en una célula de unidad cúbica y es muy estable. Su composición química es simple, un átomo de sodio (Na) y un átomo de cloro (Cl), o al menos es así en condiciones ambientales. Otros compuestos distintos a los dos elementos están prohibidos por las reglas clásicas de la química.

Por ejemplo, de acuerdo con la regla del octeto, todos los elementos químicos se esfuerzan por llenar su capa más externa con ocho electrones, que es la configuración más estable que se encuentra en los gases nobles. El sodio tiene un electrón extra y al cloro le falta uno, así que el sodio dona un electrón al cloro, dejando a los dos átomos con una envoltura externa que contiene ocho electrones y formando un enlace iónico fuerte.

Pero cuando los científicos pusieron la sal de mesa a una presión de 200.000 atmósferas y más en PETRA III y añadieron un toque extra de sodio o cloro, se convirtió en compuestos “prohibidos” como Na3Cl y NaCl3. “Siguiendo la predicción teórica, calentamos las muestras bajo presión con el láser durante un tiempo”, explica el coautor Zuzana Konôpková. de DESY, que sustentó los experimentos en ‘DESY’s Extreme Conditions Beamline P02’ (ECB).

“Hemos encontrado otros compuestos estables de Na y Cl que fueron una sorpresa. Se supone que esto no debe suceder, ya que estos compuestos requieren una forma completamente diferente de enlaces químicos con mayor energía y la naturaleza siempre favorece el estado más bajo de energía”, aclara este investigador. Pero su equipo había calculado antes que los compuestos exóticos podrían formarse en condiciones extremas y permanecer estables en estas condiciones.

“Hemos previsto y realizado compuestos locos que violan las reglas de los libros de texto: NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl y Na3Cl”, dice el doctor Weiwei Zhang, autor principal del artículo y profesor visitante en el laboratorio de Oganov en Stony Brook. Los científicos de PETRA III y la Institución Carnegie probaron las predicciones en lo que llaman “cocinar y mirar” los experimentos, dirigidos a Na3Cl y NaCl3, los dos compuestos que se preveía que era más fácil de hacer que los demás y, de hecho, los encontraron.

“Estos compuestos son termodinámicamente estables y una vez formados, se mantienen indefinidamente”, resalta Zhang. “La química clásica prohíbe su existencia misma y también dice que los átomos tratan de cumplir con la regla del octeto, los elementos ganan o pierden electrones para alcanzar una configuración electrónica del gas noble más cercano, con las carcasas electrónicas externas completas que los hacen muy estables. Aquí esa regla no se cumple”, agrega.

Los experimentos ayudan a explorar una visión más amplia de la química. “Creo que este trabajo es el comienzo de una revolución en la química –valora Oganov–. Hemos encontrado, a bajas presiones alcanzables en el laboratorio, compuestos perfectamente estables que contradicen las reglas clásicas de la química. Si se aplica una presión más bien modesta, 200.000 atmósferas (a efectos comparativos, la presión en el centro de la Tierra es de 3,6 millones de atmósferas), gran parte de lo que sabemos de los libros de texto de química se desmorona”.

Una razón del descubrimiento sorprendente es que la química de los libros de texto por lo general se aplica a lo que llamamos condiciones ambientales. “Aquí en la superficie de la tierra, estas condiciones podrían ser por defecto, pero son bastante especiales si nos fijamos en el universo como un todo”, explica Konôpková. Así, lo que puede ser “prohibido” en condiciones ambientales de la Tierra, puede llegar a ser posible en las condiciones más extremas. Según Oganov, “imposible” realmente significa que la energía va a ser alta.

“Las reglas de la química no son como los teoremas matemáticos, que no se pueden romper. Las reglas de la química se puede romper porque imposible significa suavemente imposible. Sólo hace falta encontrar las condiciones en las que el equilibrio cambia la energía y las reglas no contienen nada más”, añade este experto.

Aparte de su significado fundamental, el descubrimiento también puede producir nuevas aplicaciones prácticas, como hacer nuevos materiales con propiedades exóticas, destaca Goncharov. Entre los compuestos que el equipo creó hay metales de dos dimensiones, donde se lleva la electricidad a lo largo de las capas de la estructura. “Uno de estos materiales, Na3Cl, tiene una estructura fascinante –afirma Oganov–. Se compone de capas de NaCl y capas de sodio puro. Las capas de NaCl actúan como aislantes y las capas de sodio puro conducen la electricidad. Los sistemas con conductividad eléctrica de dos dimensiones han suscitado mucho interés”.

Los experimentos con la sal de mesa podrían ser el principio del descubrimiento de nuevos compuestos. “Si este sencillo sistema es capaz de convertirse en una gama tan diversa de compuestos bajo condiciones de alta presión, otros probablemente también lo sean”, aventura Goncharov. “Esto podría ayudar a responder a preguntas pendientes sobre los primeros núcleos planetarios, así como crear nuevos materiales con aplicaciones prácticas”, concluye.

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Ciencia

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