Phốt pho trắng được bao bọc trong ống nano, biến thành màu hồng "• Arkady Kuramshin • Tin khoa học về" Nguyên tố "• Hóa học, Công nghệ Nano

Phốt pho trắng được bọc trong ống nano, biến thành màu hồng

Hình 1. Các nhà hóa học từ Anh chứa đầy ống nano cacbon với các phân tử phốt pho trắng đơn (bên trái) và tiết lộ các điều kiện trong đó các phân tử này được chuyển thành một sợi polyme của "phốt pho hồng" – một hợp chất trung gian giữa màu trắng độc và ít phốt pho đỏ nguy hiểm, được sử dụng, trong số những thứ khác, trong quá trình sản xuất các trận đấu. Hình từ bài viết được thảo luận trongAngewandte Chemie International Edition

Các nhà nghiên cứu từ Anh quản lý để cô lập một chuỗi các phân tử phốt pho trắng trưng bày hoạt động hóa học cao trong một ống nano cacbon đơn vách. Phản ứng với nhau, những phân tử này tạo thành một cấu trúc polymer, gọi là "phốt pho hồng". Các allotrope mới sẽ cho phép các nhà khoa học để tìm hiểu thêm về các tính chất của một trong những yếu tố phản ứng nhất của hệ thống tuần hoàn, cũng như để theo dõi các giai đoạn đầu tiên của sự chuyển đổi từ photpho trắng hoạt động đến một sửa đổi đồng vị trơ hơn – phốt pho đỏ.

Allotropy (từ tiếng Hy Lạp allos – "khác" và tropos – "dấu hiệu") là sự tồn tại của hai hoặc nhiều chất đơn giản được hình thành bởi các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học và khác nhau về cấu trúc và tính chất.Những chất này được gọi là sự thay đổi allotropic (hoặc allotropes) của nguyên tố này. Sự phân bố là do sự sắp xếp khác nhau của các nguyên tử trong mạng tinh thể (nếu chúng ta nói về một số thay đổi đẳng hướng rắn) hoặc khả năng tạo thành một số nguyên tố phân tử với thành phần khác nhau (nếu chúng ta nói về các chất có cấu trúc phân tử). Các allotropes của carbon là tinh thể kim cương, graphite và graphene (tất cả chúng bao gồm các nguyên tử cacbon), cấu trúc phân tử là oxy allotropes dioxygen O2 và ozone Oh3, cacbon allotropes fullerenes C60Với70cũng như phốt pho.

Sự biến đổi đẳng hướng cổ điển của phốt pho từ lâu đã được biết đến. Trước hết, nó là phốt pho trắng có tính phản ứng cao, phát sáng trong bóng tối và độc hại đối với con người. Nó bao gồm các phân tử P.4trong đó các nguyên tử photpho được đặt tại các đỉnh của tứ diện. Thứ hai, nó là ổn định hơn và ít độc hại phốt pho đỏ, được sử dụng trong sản xuất các trận đấu. Nó là một polymer phức tạp, trong đó các chủ đề của các nguyên tử photpho được khâu lại với nhau; các phân tử của nó lớn hơn nhiều so với các phân tử photpho trắng. Một đồng vị photpho khác là một phốt pho đen trơ độc quyền, cấu trúc của mạng tinh thể tương tự như cấu trúc của graphite.

Tất cả thời gian này, các nhà hóa học biết điều kiện nào cần được tạo ra để biến đổi một biến đổi thành một biến thể khác, nhưng thực tế họ không tưởng tượng chính xác những gì xảy ra với các nguyên tử của triết gia khi phốt pho trắng chuyển thành màu đỏ (quá trình này không được nghiên cứu hoặc thử nghiệm hoặc sử dụng mô phỏng hóa học lượng tử) và màu đỏ – màu đen. Mối quan tâm về hóa học của sự thay đổi đồng vị photpho được gia hạn chỉ một trăm năm sau khi phát hiện phốt pho đen, vào năm 2014, khi một đồng vị khác của nguyên tố này được phát hiện – phốt pho (xem Han Liu và cộng sự, 2014. Phosphorene: Một chất bán dẫn 2D chưa được khám phá với một lỗ cao Tính di động), một chất tương tự phosphoric của graphene.

Một trong những lý do cho sự chênh lệch này trong kiến ​​thức của chúng ta về sự chuyển tiếp photpho photpho là photpho trắng là một chất cực kỳ nguy hiểm và hoạt động hóa học có thể bắt lửa một cách tự nhiên khi tiếp xúc với không khí. Các sản phẩm của quá trình đốt cháy, phosphorus oxide P4O10, phản ứng với hơi nước, dẫn đến một axit photphoric ăn mòn cao H3PO4. Đối với các mô phỏng máy tính của quá trình trùng hợp, trong đó một số lượng lớn các hạt có liên quan, nó đòi hỏi việc sử dụng quyền lực tính toán đáng kể, mà không phải là luôn luôn có sẵn.

Những nỗ lực trước đây để "chế ngự tính khí" của phốt pho trắng cho phép sự phát triển của "tế bào siêu phân tử" (xem hóa học siêu phân tử), chỉ có thể chứa một phân tử P.4 (xem Prasenjit Mal và cộng sự., 2009. Phốt pho trắng là viên Tetrahedral tự lắp ráp không khí xếp chồng lên nhau). Các thùng chứa phân tử này, một mặt, có thể tránh được phản ứng của phốt pho trắng với hơi nước của không khí, nhưng mặt khác, chúng không thể dùng làm hệ thống để nghiên cứu sự chuyển tiếp allotropic từ phốt pho trắng sang màu đỏ. Thực tế là photpho đỏ là một cấu trúc polyme, và phản ứng của việc bổ sung các phân tử P là cần thiết cho việc chuyển đổi phospho trắng thành màu đỏ.4 lẫn nhau, và hồ chứa siêu phân tử cô lập chúng và do đó làm cho một phản ứng như vậy là không thể.

Trong nhóm giáo sư Đại học London, Christoph Salzmann (Christoph G. Salzmann) đã quyết định sử dụng một phiên bản khác của "tế bào" cho phốt pho trắng. Những nhà nghiên cứu này đã cố gắng phân lập các phân tử của nó khỏi oxy và hơi ẩm trong không khí, nhưng đồng thời cho họ cơ hội đến gần nhau hơn. Để giải quyết vấn đề này như các thùng chứa để đóng gói các phân tử P4 Các ống nano cacbon đơn vách (SWCNTs) có đường kính bên trong là 8,1 Å đã được chọn.SWCNT là một biến đổi đẳng hướng khác của carbon, có thể được biểu diễn như một tấm graphene được cuộn vào một ống. Mặc dù đường kính bên trong của các ống nano được lựa chọn cho thí nghiệm khá phù hợp với kích thước để chuẩn bị các hợp chất bao gồm P4@ SWCNT, nhiệm vụ khó khăn nhất là lấp đầy các ống nano với phốt pho trắng. Ở đây chúng ta phải "ngâm" ống nano cacbon trong photpho trắng nóng chảy trong một thời gian dài, và để thực hiện công việc đó, chúng ta thực sự cần bàn tay vàng và dây thần kinh thép, bởi vì như đã đề cập ở trên, allotrope photpho dễ dàng tự cháy.

Đối với hoạt động, các ống carbon đơn vách được chụp, đóng với một đầu bán cầu ở một bên, hạn chế tiếp cận oxy, nước và các chất khác với các phân tử P4. Mặt khác, các ống nano được mở ra. Qua đầu mở ("cổ") chúng có phân tử P4và sau khi đổ đầy các ống, chúng tiếp xúc với không khí, làm oxy hóa các phân tử ở vùng lân cận cổ. Đồng thời, các sản phẩm oxy hóa đóng vai trò của một nút chai, phân lập photpho trắng bên trong ống nano.

Để chứng minhrằng các ống nano được lấp đầy, các hợp chất bao gồm kết quả (các hợp chất như vậy được hình thành bằng cách bao gồm các phân tử khách trong khoang của một phân tử chủ lớn; xem thêm các phân tử liên kết hydro bắt trong tế bào fullerene, Elements, 30 tháng 5, 2017) một tập hợp các phương pháp vật lý, bao gồm kính hiển vi điện tử truyền độ phân giải cao (HRTEM; xem kính hiển vi điện tử truyền dẫn). Kết quả của nghiên cứu cho thấy rằng các phân tử P4 Các ống nano cacbon được đổ đầy, giống như đậu được bố trí trong một cái vỏ (Hình 2).

Hình 2 Giống như đậu Hà Lan trong một cái vỏ: ống nano cacbon đơn vách (SWCNT) chứa đầy phân tử phốt pho P màu trắng4; a) – hình ảnh của một ống nano cacbon đơn vách với một chuỗi các phân tử P thu được bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền độ phân giải cao (HRTEM)4 bên trong. b) – hình ảnh được đánh dấu trên (mộta) cốt truyện sau khi triệt tiêu tiếng ồn; c) – Mô phỏng hình ảnh HRTEM; d) – Sơ đồ cấu trúc của hợp chất bao gồm P4@ SWCNT. Quy mô hình ảnh b)d) giống nhau. Hình từ bài viết được thảo luận trong Angewandte Chemie International Edition

Kính hiển vi điện tử không chỉ cho phép xác nhận cấu trúc của các hợp chất bao gồm: với sự ngạc nhiên của các nhà nghiên cứunó đã được tìm thấy rằng chùm electron cần thiết để có được hình ảnh trong phương pháp HRTEM đã bắt đầu sự liên kết chéo của các phân tử P4 trong cấu trúc dây chuyền – một dạng photpho đẳng hướng mới, "phốt pho hồng" (Hình 3). Tên của dạng photpho mới được đưa ra dựa trên giả định rằng sự hình thành một chuỗi polymer tuyến tính từ các nguyên tử photpho biểu thị giai đoạn đầu tiên của quá trình chuyển đổi phospho trắng sang màu đỏ. Có thể, bên ngoài ống nano cacbon, chuỗi photpho hồng bắt đầu tương tác với nhau, tạo thành một polyme liên kết chéo, được biết đến với chúng ta là photpho đỏ.

Hình 3 Sự trùng hợp của các phân tử P4 bên trong một ống nano cacbon đơn vách. a)b) – một hình ảnh của một ống nano cacbon đơn vách với các sản phẩm trùng hợp phốt pho thu được bằng cách sử dụng một HRTEM; c) – hình ảnh được đánh dấu trên (ba) cốt truyện sau khi triệt tiêu tiếng ồn; d) – Mô phỏng hình ảnh HRTEM; e) – Sơ đồ cấu trúc kết nối bao gồm chuỗi ngoằn ngoèo P4@ SWCNT. Quy mô hình ảnh c)e) giống nhau. Hình từ bài viết được thảo luận trong Angewandte Chemie International Edition

Sợi photpho hồng thu được trong ống nano là điều thú vị không chỉ là chất trung gian trong quá trình chuyển vị đồng vị.Các tính toán sơ bộ đã cho thấy: có thể là một đồng vị photpho như vậy có các tính chất điện tử thú vị. Tuy nhiên, để tìm hiểu, cần phát triển một phương pháp đánh giá tính chất điện tử của chuỗi photpho hồng, điều này sẽ loại bỏ ảnh hưởng của ống nano carbon lên kết quả đo: thực tế là SWCNT là chất dẫn điện tốt.

Nếu bạn thay đổi đường kính của các ống nano và học cách đặt chúng vào một số "chủ đề" của P4, sau đó các nhà hóa học sẽ sớm có thể quan sát không chỉ sự hình thành của một sợi từ các nguyên tử photpho mà còn là sự liên kết chéo của các sợi đó – có lẽ là bước tiếp theo trong quá trình chuyển đổi “phốt pho trắng – phốt pho đỏ”. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng máy tính các phản ứng có thể xảy ra với sự tham gia của các phân tử P.4 và các sản phẩm biến đổi của chúng trong các ống nano có đường kính lớn hơn, và đưa ra một số giả định về cấu trúc nào có khả năng thu được nhiều nhất từ ​​các nguyên tử cacbon trong các lò nano.

Nguồn: Martin Hart et al. Phốt pho bên trong đóng gói đơn tường và trùng hợp của các ống nano cacbon trắng // Angewandte Chemie International Edition. 2017. Bản thảo tác giả được chấp nhận. DOI: 10.1002 / anie.201703585.

Xem thêm:
Các phân tử liên kết hydro bắt gặp trong một tế bào fullerene, "Elements", 30/05/2017.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: