Hóa giải bí ẩn đằng sau thí nghiệm hóa học 100 năm tuổi

Các nhà khoa học cuối cùng cũng có thể hiểu được quá trình chuyển đổi bí ẩn đằng sau một thí nghiệm hóa học có từ một thế kỷ trước.

Các nhà khoa học đã chuyển amoniac thành đồng kim loại.

Các chi tiết của sự biến đổi này, trong đó việc thêm các electron vào dung dịch amoniac màu xanh sáng biến nó thành một đồng kim loại sáng bóng, từ lâu đã làm các nhà hóa học đau đầu. Nghiên cứu mới chỉ ra các chi tiết tinh tế của sự chuyển đổi này, và cho thấy nó xảy ra dần dần, thay vì đột ngột.

Ryan McMullen, TS Hóa học tại Đại học Nam California cho biết: “Điều chúng tôi thành công là đã hiểu rất nhiều về cách các giải pháp này hoạt động ở một phạm vi nồng độ rộng bằng cách sử dụng kỹ thuật microjet”.

Kỹ thuật liên quan đến việc bắn các dòng dung dịch mỏng như sợi tóc qua chân không và trước đây chưa từng được sử dụng. Và phát hiện này có thể mở ra các loại phản ứng mới trong hóa học hữu cơ trong tương lai.

Làm thế nào mà một số phi kim có thể biến thành kim loại? Các nhà nghiên cứu đã trả lời câu hỏi đó bằng cách thêm kim loại vào amoniac lỏng.

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu ngưng tụ amoniac, một chất khí ở nhiệt độ phòng, thành chất lỏng bằng cách làm lạnh nó xuống âm 27,4 F (âm 33 C). Sau đó, họ đã thêm natri, lithium hoặc kali, tất cả đều là kim loại kiềm (các kim loại này khá nổi tiếng với phản ứng bùng nổ khi chìm trong nước).

Các thí nghiệm được thực hiện với sự hợp tác của các nhà khoa học từ Viện Khoa học Séc và ViệnFritz-Haber của Hiệp hội Max Planck ở Berlin, cũng như các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản và Pháp.

Kết quả là một phản ứng như mong đợi: Amoniac lỏng hút các electron từ kim loại. Những electron đó sau đó bị mắc kẹt giữa các phân tử amoniac, tạo ra cái gọi là điện tử hòa tan mà các nhà khoa học hy vọng nghiên cứu.

Ở nồng độ thấp, kết quả thu lại là một chất lỏng phi kim màu xanh lam. Tuy nhiên, khi các điện tử hòa tan hoặc bị giữ lại chồng chất lên nhau, dung dịch chuyển sang màu đồng sáng bóng.

Thử thách tiếp theo là nghiên cứu cách thức các electron hòa tan hoạt động ở các nồng độ khác nhau. Điều này liên quan đến việc bắn một tia cực nhỏ của dung dịch – với chiều rộng chỉ bằng 1 sợi tóc người – thông qua chùm tia X synchrotron – 1 chùm tia X năng lượng cao.

Các tia X kích thích các electron hòa tan, khiến chúng nhảy ra khỏi lồng phân tử amoniac lỏng. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể đo lượng năng lượng cần thiết để giải phóng các electron hòa tan.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng nồng độ của các electron hòa tan càng lớn, mô hình giải phóng năng lượng càng khớp với những gì nhìn thấy trong kim loại. Điều này có nghĩa là: Nếu bạn vẽ biểu đồ lượng năng lượng cần thiết để giải phóng các electron khỏi lồng amoniac lỏng của chúng, các kim loại thường có cái gọi là “cạnh Fermi”, một sự chuyển đổi rất đột ngột.

Ở nồng độ thấp hơn của các electron hòa tan, biểu đồ giải phóng năng lượng này trông giống như một ngọn đồi tròn. Chỉ ở nồng độ electron cao hơn, “cạnh Fermi” mới xuất hiện. Cạnh này phản ánh lượng electron năng lượng có được ở một nhiệt độ nhất định.

Kết quả rất thú vị vì chúng cho thấy chất lỏng giống kim loại được tạo ra bằng cách kết hợp kim loại kiềm và amoniac thực sự là một kim loại ở mức độ vật lý cơ bản. “Đó thực sự là một kim loại, chứ không chỉ là 1 thứ trông giống kim loại”, McMullen nói.

Các electron hòa tan nồng độ thấp hơn được sử dụng trong một loại phản ứng gọi là phản ứng Birch, bổ sung các electron vào cấu trúc phân tử gọi là vòng thơm. Bằng cách hiểu làm thế nào các electron hòa tan hoạt động ở nồng độ cao, các nhà nghiên cứu có khả năng tìm thấy các loại phản ứng hóa học mới, McMullen cho biết.