Forskere løser endelig mysteriet bag et 100 år gammelt kemieksperiment

Forskere kan muligvis endelig forstå den mystiske overgang bag et århundrede gammelt kemieksperiment. Detaljerne om denne transformation, hvor tilføjelse af elektroner til en lyseblå ammoniakopløsning omdanner den til en skinnende, metallisk bronze, har længe undgået forskere.

Den nye undersøgelse afslører de subtile detaljer om denne ændring og viser, at denne transformation er gradvis snarere end pludselig. "Det, vi har gjort med succes, er, at vi stort set har forstået, hvordan disse løsninger opfører sig i en lang række koncentrationer ved hjælp af en mikrojet-teknik," sagde studiemedforfatter Ryan McMullen, en doktorand i kemi ved University of South California . Denne teknik, der involverer optagelse af hårtynde strømme af opløsningen gennem et vakuum, er ikke blevet brugt på den skinnende væske før.

Og opdagelsen kunne åbne nye typer reaktioner i organisk kemi i fremtiden, fortalte McMullen .

Relaterede: 8 kemiske elementer, du aldrig har hørt om

Hvad er et metal?

Metaller er en forskelligartet gruppe. Nogle, ligesom lithium, er lette nok til at flyde, mens andre, som bly eller osmium, er ekstremt tæt. Nogle kræver utroligt høje temperaturer for at smelte, mens andre smelter let (f.eks. Smelter kvikksølv ved minus 38,3 grader Celsius eller minus 37,9 grader Fahrenheit). I sidste ende, hvad metaller har til fælles, er deres evne til at lede elektricitet ved absolut nul, det punkt, hvor molekylbevægelse fra varme i det væsentlige stopper.

Men hvordan omdannes nogle ikke-metaller til metaller? I en ny undersøgelse besvarede forskere dette spørgsmål ved at tilføje metaller til flydende ammoniak.

Først kondenserede forskerne ammoniak, som er en gas ved stuetemperatur, til en væske ved at afkøle den til negativ 27,4 F (minus 33 ° C). De tilsatte derefter enten natrium, lithium eller kalium, som alle er alkalimetaller. (Snarere berømt reagerer disse metaller eksplosivt, når de er nedsænket i vand.) Eksperimenterne blev udført i samarbejde med videnskabsfolk fra Det Tjekkiske Videnskabelige Akademi og Fritz-Haber-instituttet i Max Planck Society i Berlin samt forskere i Japan og Frankrig.

Relaterede: De 10 største største eksplosioner nogensinde

Resultatet var en forventet reaktion: Den flydende ammoniak trak elektroner fra metallet. Disse elektroner blev derefter fanget mellem ammoniakmolekylerne og skabte de såkaldte solvatiserede elektroner, som forskerne håbede på at studere. Ved lave koncentrationer var resultatet en blå, ikke-metallisk væske. Da de solvatiserede eller fangede elektroner blev stablet op, overgik imidlertid opløsningen til skinnende bronze.

Den næste udfordring var at undersøge, hvordan de solvaterede elektroner opførte sig i forskellige koncentrationer. Dette involverede at skyde en mikrojet af løsningen - omkring bredden af ​​et menneskehår - gennem en stråle af synchrotron-røntgenstråler, som er højenergi-røntgenstråler. Røntgenstrålerne begejstrede de solvaterede elektroner og fik dem til at hoppe ud af deres flydende bur af ammoniakmolekyler. Forskerne kunne derefter måle, hvor meget energi det tog at frigive de solvaterede elektroner.

Forskerne fandt, at jo større koncentrationen af ​​solvatiserede elektroner var, jo mere matchede mønsteret for energiudslip, hvad der ses i et metal. Her er, hvad det betyder: Hvis du tegner den mængde energi, der kræves for at frigøre elektroner fra deres flydende ammoniakbur, har metaller typisk det, der kaldes en "Fermi-kant", en meget pludselig overgang, sagde McMullen. Ved lavere koncentrationer af solvatiserede elektroner ligner denne energiudgivelsesgraf mere som en afrundet bakke. Kun ved højere elektronkoncentrationer kom denne Fermi-kant op. Kanten afspejler, hvor meget energielektroner, der har en given temperatur, tilføjede McMullen.

"Når du øger koncentrationen til det metalliske område, ser du, dette vidunderlige mønster dukker op, der er meget, meget karakteristisk for et metal," sagde McMullen.

Resultaterne var interessante, fordi de viste, at den metallignende væske skabt ved at kombinere alkalimetaller og ammoniak faktisk er et metal på et grundlæggende fysisk niveau, sagde han.

"Det er et ægte metal, det er ikke noget, der bare ligner et," sagde McMullen.

Solvatiserede elektroner med lavere koncentration bruges i en reaktionstype kaldet en bjørkereaktion, som tilføjer elektroner til molekylstrukturer kaldet aromatiske ringe. Denne form for reaktion blev anvendt til fremstilling af de første orale p-piller i 1950'erne, sagde McMullen. Ved at forstå, hvordan solvatiserede elektroner fungerer i høje koncentrationer, kan forskere potentielt finde nye former for kemiske reaktioner, sagde han. For eksempel kan de begejstre de solvaterede elektroner med lysstråler for at få dem til at opføre sig på nye måder.

"Hvis du kildrer elektronerne lidt, så de er mere energisk ophidsede, kan du begynde at se på nogle skøre reaktioner, der ellers aldrig ville ske," sagde McMullen.

Forskerne rapporterede deres fund 5. juni i tidsskriftet Science.