Bildiklerinizi Unutun: Helyum artık o kadar da “soylu” değil

Lisedeki kimya derslerinden hatırlarsınız, helyum biraz tuhaf bir element. Bu soy gaz periyodik tablodaki en az reaktif element. Dış elektron kabuğu tamamen dolu olan helyum, mantıken diğer atomlarla etkileşime girip kararlı bileşikler oluşturamaz.

Diğer soy gazlar aşırı yüksek basınçlar altında bileşik oluşturma işaretleri göstermiş olsa da, helyum soyluluğunu hep korumuş gibi görünüyordu – ta ki şimdiye kadar... Geçtiğimiz haftalarda Nature Chemistry’de yayınlanan bir çalışmada ^[1], bilim insanları kararlı görünen bir helyum-sodyum bileşiği üretmeyi başardı ve bu bileşik modern kimyanın en temel varsayımlarına meydan okuyor.

“Yüksek basınç uygulandığında bildiğimiz kimya değişiyor. Bu, Dünya üzerinde veya Satürn gibi başka gezegenlerde gerçekleşebilir,” diyor Utah Eyalet Üniversitesi ekibinden Ivan Popov, “fakat bu çığır açan bir gelişme.”

Kimya bilgilerinizi tazelemek gerekirse, helyum evrende en bol bulunan ikinci element ve altı elementten oluşan soy gazlar grubuna dahil. Bu elementlere soy gaz denmesinin sebebi, diğer elementlerle kolayca reaksiyona girmelerini engelleyen “ilgisiz” davranışları.

“Soylu” itibarını edindiklerinden bu yana, bu gazların bazıları aşırı koşullar altında reaktiflik işaretleri gösterdiler. Soy gazlar bu anlamda iki gruba ayrılabilir; kripton, ksenon ve radon nispeten reaktif olabilirken, argon, neon ve helyum hiç reaktif değil.

Araştırmacılar geçmişte helyumu çeşitli elementlerle bir araya getirmenin yollarını bulmuşlardı, ancak sonuçlar kalıcı değildi.

Helyumun diğer elementlerle etkileşimi çoğunlukla van der Waals kuvvetleri aracılığıyla gerçekleşiyor. Atomlar veya moleküller arasındaki itici veya çekici kuvvetler ile oluşan van der Waals bağlarının oluşumu için kovalent veya iyonik bağ gerekmiyor.

Helyum ve diğer atomlar arasında oldukça zayıf van der Waals bağları oluştuğu biliniyor. Helyum, aşırı düşük sıcaklıklarda, van der Waals molekülleri olarak adlandırılan, oldukça zayıf bağlarla bir arada duran atom ya da molekül kümeleri oluşturabiliyor, fakat bu bağlar yalnızca kısa süre dayanabiliyor.

Helyumun sağlam kararlılığı, kapalı bir dış kabuk oluşturan elektronik konfigürasyonu ile ilgili, yani son yörüngesi tamamen dolu. Dolayısıyla son yörüngesinde başka atomlarla elektron paylaşmak suretiyle bağ oluşturacak yer bulunmuyor.

Ancak bu varsayım, yeryüzündeki koşullar altında geçerli.

Evrende en bol bulunan elementlerden biri olan ve yıldızların, gaz devi gezegenlerin oluşumundan sorumlu olan helyum, uzayda ve gezegenimizin derinliklerinde, çok farklı kurallara göre hareket ediyor olabilir. İşte şimdi, araştırmacılar bu garip davranışa dair ilk kanıta ulaşmış bulunuyorlar.

“Dünya’nın çekirdeğinde ya da dev komşularımızda olduğu gibi, aşırı yüksek basınçlar helyumun kimyasını tamamen değiştiriyor,” diye açıklıyor Utah Eyalet Üniversitesi ekibinden Alex Boldyrev.

Araştırmacılar, aşırı yüksek basınç altında, kararlı bir helyum-sodyum bileşiği oluşabileceğini öngörebilmek için “kristal yapı kestirimi” yapan bir bilgisayar modelinden faydalandılar.

Daha sonra ise, daha önce görülmemiş Na₂He bileşiğini fiziksel olarak üretmeyi başardılar. Bunu yapabilmek için, helyum ve sodyum atomlarına, Dünya atmosfer basıncının 1,1 milyon katı kadar bir basınç uygulamalarını sağlayan bir elmas örs hücresi kullandılar.

Boldyrev’in anlattığına göre, bu bulgular o kadar beklenmedikmiş ki, buldukları sonuçları yayınlayabilmek için, bilim eleştirmenlerini ve editörleri ikna etmeleri iki yıl sürmüş.

Ekip, bu sonuçlara dayanarak, ulaştıkları basıncın 10 milyon katı basınç altında, sodyumun helyum gazına kolayca bağlanarak kararlı bir Na2He bileşiği oluşturabileceğini tahmin ediyor.

Şaşırtıcı olan, bu bileşiğin, onu bir arada tutacak kimyasal bağlar olmaksızın oluşabilmesi.

“Keşfettiğimiz bileşik gerçekten çok tuhaf; helyum atomları aslında kimyasal bağ oluşturmuyor, yine de sodyum atomları arasındaki kimyasal etkileşimleri kökten değiştiriyor. Helyum atomları, elektronların yapı içindeki kübik boşluklar içine yerleşmesini sağlıyor ve malzemeyi yalıtkan hale getiriyor,” diye açıklıyor araştırmacılardan biri olan Xiao Dong (Nankai Üniversitesi, Çin).

Aşağıdaki şekilde Na2He bileşiğinin kristal yapısını görebilirsiniz; sıralanmış sodyum (mor) ve helyum (yeşil) atomları arasındaki boşluklarda paylaşılan elektronların (kırmızı) bulunduğu katı bir yapı.

“Bu iyonik veya kovalent bağ gibi gerçek bir bağ değil,” diye anlatıyor Popov, “fakat helyum yapının kararlı olmasını sağlıyor. Helyum atomlarını kaldırırsanız yapı sabit kalmayacaktır.”

Aşağıda, yapının temsilini veren iki şekil daha görebilirsiniz: Solda, sodyum pembe, helyum beyaz renkte gösterilmiş; sağda ise, sodyum ve helyum küpleri gri, elektronlar kırmızı ile gösterilmiş.

Kimyacılar son zamanlarda, buna benzer birkaç “ezber bozan” buluşa daha imza attılar. Bunlardan ikisi geçtiğimiz aylarda gerçekleşti; dünyadaki ilk metalik hidrojen örneğinin üretilmesi ^[2] ve dört değil, altı bağ oluşturan karbon atomunun eldesi ^[2]. Ancak genellikle, bu tip buluşlar şimdiye kadar bilinenlere ters düştüğü için, aynı sonuçları elde eden bağımsız deneyler yapılmadığı takdirde, büyük şüphe ile karşılanıyor.

Bu çalışmanın güvenilirliğine gelince, sonuçlar sağlam gibi görünüyor, yani bunu takip eden deneyler oldukça ilginç sonuçlar doğurabilir.

Bu çalışmaya dahil olmayan Henry Rzepa (Londra Imperial Koleji), metalik hidrojen buluşu ile karşılaştırıldığında, bu çalışmanın daha sağlam bir bilime dayandığını belirtiyor ve “Bu helyum bileşiği bir dönüm noktasıdır” ifadesini kullanıyor.

Tabii bu meselenin tamamen açıklığa kavuşması için daha çok deney yapılmasına ihtiyaç var. Yine de 2017, daha şimdiden, kimya bilimine ait genel varsayımlarımızın teste tabi tutulacağı bir yıl olacak gibi görünüyor. Bakalım sırada ne var...

Kaynak
http://www.sciencealert.com/forget-what-you-learned-scientists-might-have-just-created-a-stable-helium-compound

Görseller
http://www.sci-news.com/othersciences/chemistry/helium-sodium-compound-04600.html

http://www.sciencealert.com/forget-what-you-learned-scientists-might-have-just-created-a-stable-helium-compound

Bahsi geçen çalışmalar
[1] http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2716.html
[2] https://www.fizikist.com/metalik-hidrojen-ilk-kez-uretildi/
[3] http://www.sciencealert.com/forget-what-you-learned-in-high-school-this-new-carbon-molecule-has-6-bonds