Химики синтезировали «невозможное» соединение урана: подробности

Молекула нового соединения урана в упрощенном варианте. Зеленый — уран, черный — углерод, голубой — азот, оранжевый — кремний. Атомы водорода исключены.

Химики сделали то, что долго оставалось почти недостижимым: получили соединение урана, в котором атом металла соединен с атомом углерода необычной тройной связью. Причем вещество удалось не просто поймать одним моментом, а выделить в устойчивом виде и подробно изучить.

Работу международной команды ученых из Великобритании и Германии опубликовали в журнале Nature Chemistry.

Уран пошел на тройной контакт

Речь идет о так называемом карбине Фишера — особом типе соединений, где между металлом и углеродом возникает тройная связь. Для переходных металлов (d-элементов 4-6 периодов) подобная химия известна давно, а вот с тяжелым ураном все гораздо сложнее.

До сих пор похожие соединения урана удавалось наблюдать лишь при очень специфических условиях: например, при сверхнизких температурах или внутри специальных углеродных «клеток» — фуллеренов. Теперь химики получили соединение, которое можно выделить в кристаллическом виде и исследовать обычными для современной химии методами.

Для синтеза ученые использовали прекурсор, содержащий уран, азот и кремний и недавно разработанный реагент, способный переносить отдельный атом углерода. Получившееся вещество затем проверили сразу несколькими способами: применили рентгеновскую дифракцию на монокристалле, спектроскопию, магнитные измерения и компьютерные расчеты.

И тут началось самое интересное. Расстояние между атомами урана и углерода составило 2,379 ангстрема. Само по себе оно не выглядит типичным для короткой (1-1,5 A) кратной связи. Однако квантово-кристаллографический анализ позволил подтвердить, что между атомами действительно возникает необычное тройное взаимодействие.

Электроны при этом ведут себя не совсем так, как можно было бы представить по школьной картинке с тремя черточками между атомами. Углерод передает урану два электрона, а уран, в свою очередь, отдает электроны обратно углероду. Обратное взаимодействие формируется двумя взаимно перпендикулярными связями, каждая из которых использует по одному электрону.

Получившееся соединение химически оказалось относительно пассивным. Более того, при химическом восстановлении характер связи менялся. Это дало исследователям дополнительное подтверждение того, как распределены электроны в молекуле.

Зачем ученым вообще понадобился «тройной» уран

Практического применения вроде нового топлива или материала для реакторов исследователи пока не обещают. Главная ценность открытия — фундаментальная химия.

Ученые получили новый пример того, как тяжелый актиноид уран способен взаимодействовать с углеродом. Это позволяет сравнивать его химическое поведение с более привычными переходными металлами и лучше понимать особенности f-элементов (7-й период таблицы Менделеева).

Есть здесь и более практичная сторона: новый подход с переносом атома углерода потенциально позволяет синтезировать соединения урана, которые раньше считались практически недоступными для детального изучения.

Любопытно, что уран в последние годы фигурирует в исследованиях не только как нерасторопный химический «тяжеловес». Например, на Hi-Tech Mail мы писали о том, как уран проникает в подземные воды, используемые для питья.