Bu Tuhaf Kristalin İki Erime Noktası Var ve Nihayet Nedenini Biliyoruz

Bazı grupların yaklaşık 65 santigrat derece (149 Fahrenheit) sıcaklıkta eridiğini tespit etti. Diğerleri ise 100 santigrat derecede.

Bu, tek kelimeyle, son derece tuhaftı. Başka hiçbir maddenin bu şekilde davrandığı bilinmiyordu. Olmamalıydı da. Fiziksel dünyanın davranış biçimini tanımlayan termodinamik yasalarına göre böyle bir sonuç imkansız olmalıydı.

Bilim adamları şaşkına dönmüştü. Fischer'ın bir hata yapıp yapmadığını görmek için harekete geçtiler. Onun gözlemlerini tekrar ettiklerinde yaşadıkları şaşkınlığı hayal edin.

Fischer'in orijinal keşfinden 120 yıldan fazla bir süre sonra, 2019'da, İngiltere'deki Southampton Üniversitesi'nden kimyager Terry Threfall liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi nihayet cevabı buldu ve yayınladı. Fischer (başka çalışmalarıyla 1902 Nobel ödülünü kazanmıştı, yani açıkça hiç de sahte değildi) gerçek bir şey gözlemlemişti; ama ortaya çıkacağı üzere termodinamiği bozacak bir şey değil.

Suçlu mu? Kesinlikle çok küçük bir kirlenme, o kadar küçük ki neredeyse tespit edilemiyor. Asetaldehit fenilhidrazon eridiğinde, bileşiğin bir baza mı yoksa aside mi maruz kaldığına bağlı olarak iki sıvıdan biri haline gelir. İlki daha yüksek erime noktasında; ikincisi ise daha düşük erime noktasında ortaya çıkar.

Threlfall, “Böylesine eski bir bilmeceyi, özellikle de Nobel Ödülü kazanmış böylesine seçkin bir bilim insanını şaşırtan bir bilmeceyi anlayabilmek son derece tatmin edici” dedi.

“Böyle bir davranışın gözlemlenmesi son derece nadir olacaktır çünkü kristaldeki ve sıvıdaki moleküllerin farklı geometrilere sahip olmasına bağlıdır ki bu alışılmadık bir durumdur. Ayrıca, asitle dönüşümün hem mümkün hem de hızlı olmasına da bağlıdır.”

Bileşik, katı asetaldehitin çözülmesi ve hem sıvı fenilhidrazin hem de sulu etanolün eklenmesi ve karışım donup katı kristaller oluşturana kadar soğutulmasıyla elde ediliyor. Daha sonra yeni oluşan asetaldehit fenilhidrazonun erime noktasını keşfetmek için onu yeniden eritmeniz gerekir.

İşte sorunlar burada ortaya çıkıyor. Asetaldehit fenilhidrazonun neden iki farklı sıcaklıkta eridiğini anlamak için araştırmacılar önce katı halini inceledi. Ancak en ileri teknolojiye sahip araştırmalar bir cevap bulamadı.

Threlfall'un ekibi ve diğer yeni çalışmalar tarafından gerçekleştirilen tüm analizler, daha düşük sıcaklıkta eriyen asetaldehit fenilhidrazon örnekleri ile daha yüksek sıcaklıkta eriyen örnekler arasında tek bir fark bulamadı. Bu teknikler X-ışını kırınımı, nükleer manyetik rezonans ve IR spektroskopisini içeriyordu. Bilim insanlarının söyleyebildiği kadarıyla kristaller birbirinin aynısıydı.

Bir sonraki adım, kristallerin eridikten sonra hangi sıvıya dönüştüğünü araştırmaktı.

Ve orada araştırmacılar bir sonuç elde ettiler. İnce ve geçici ama belirgin bir fark vardı. Bileşikler aynı moleküler formüle sahip olsa da, ilk eriyiğin yapısı sıcaklığa bağlı olarak biraz farklıydı.

Bileşik, Z izomeri ve E izomeri olarak bilinen iki farklı konfigürasyona sahip olabilen bir metil grubu içerir.

Katı fazında, malzeme neredeyse sadece Z izomerinden oluşur.

En kararlı sıvı faz, yaklaşık üçte bir Z izomeri ile üçte iki E izomerinin karışımıdır. İki erime noktasından daha düşük olanı hemen Z ve E karışımını üretirken, daha yüksek erime noktası E kısmına geçmeden önce tamamen Z'dir.

Asetaldehit fenilhidrazonun aside karşı son derece hassas olduğuna işaret eden 1905 tarihli bir makalede bir ipucu verilmiştir. Threlfall ve ekibi örneklerini asit ve amonyak buharlarına maruz bırakmayı denediler. Ve birinin ya da diğerinin çok küçük bir miktarına maruz kalmanın bileşiğin erime noktasını güvenilir bir şekilde etkileyebileceğini buldular. Asit, Z izomerinden E izomerine geçişi hızlandırmak için bir katalizör görevi görüyor ve bu süreçte erime noktasını düşürüyor.

Southampton Üniversitesi'nden kimyager Simon Coles, “Bir element veya bileşik iki veya daha fazla farklı kristal formda bulunabiliyorsa, her form farklı Gibbs enerjilerine sahip olacak ve kendi farklı sıcaklığında eriyecektir” dedi.

“Bu durumda, kristalin molekülleri cis geometrisindedir- birbirlerine doğru bakan gruplar- ve asit yokluğunda 100 santigrat derecede aynı geometride erir. Bununla birlikte, bir parça asit varlığında bile, moleküller erime sırasında birbirlerinden uzaklaşan grupların trans geometrisine dönüşür. Bu sıvı daha küçük bir Gibbs enerjisine sahiptir ve daha kararlıdır, bu nedenle erime noktası 65 santigrat derece olur.”

Bu, tuzun su üzerindeki etkisine benzer: bir kap suya tuz eklemek donma ve kaynama noktalarını yükseltir. Suyun faz geçişlerinde önemli bir değişiklik yaratmak için çok fazla tuz gerekirken, asetaldehit fenilhidrazonun değişmesi için o kadar az asit gerekir ki, Threlfall ve meslektaşlarının bunu anlaması bir yüzyıldan fazla- ve on yıl - sürmüştür.

Bu araştırma, insan merakının ve azminin gerçek bir kanıtıdır. Ve bize gelecek için umut veriyor. Keşiflerin ışıltılı geleceğine uzanan yıllarda daha kaç gizem çözülecek?

Bu yazı SCIENCEALERT’ de yayınlanmıştır.