N₂ là dạng cấu trúc trung tính và ổn định duy nhất được biết đến (dạng thù hình) của nitơ. Việc tổng hợp N₃ và N₄ trung tính đã được báo cáo trước đây nhưng không thể phân lập được do tính không ổn định cực độ. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp hexanitrogen (N₆) ở nhiệt độ phòng , một dạng thù hình trung tính mới của nitơ mà họ có thể giữ lại trong ma trận argon ở 10K. Quá trình tổng hợp N₆ đã được xác nhận bằng phương pháp quang phổ và dạng thù hình mới này được chứng minh là ổn định. Phản ứng phân hủy tỏa nhiệt với sự giải phóng một lượng lớn năng lượng, cho thấy khả năng ứng dụng như một công nghệ lưu trữ năng lượng, tùy thuộc vào yêu cầu nhiệt độ của nitơ lỏng. Mặc dù vậy, việc điều chế một dạng thù hình trung tính, ổn định mới của nitơ là một bước phát triển quan trọng trong hóa học.
Các dạng thù hình là những dạng cấu trúc khác nhau của một nguyên tố, hình thành do cách liên kết khác nhau giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố đó. Chúng có các tính chất khác nhau dựa trên cấu trúc của chúng và trung tính về điện tích, tồn tại ở dạng không phải gốc tự do. Ví dụ, kim cương, than chì và graphene là các dạng thù hình trung tính, ổn định của cacbon. Tương tự, O₂ và O₃ (ozon) là các dạng thù hình của oxy.
Vậy còn các dạng cấu trúc trung tính, ổn định của nitơ thì sao? N₂ quen thuộc là dạng thù hình ổn định duy nhất được biết đến của nitơ. Hai dạng thù hình trung tính khác là N₃ và N₄ đã được báo cáo trước đó vào năm 1956 và 2002 nhưng không thể phân lập được do tính không ổn định cực độ.
Các nhà hóa học hiện đã tổng hợp thành công hexanitrogen đối xứng C2h ( C2h - N6 ) ở nhiệt độ phòng. [ Đối xứng C2h là một dạng đối xứng phổ biến được quan sát thấy trong thế giới hóa học. Phân tử đối xứng C2h có trục quay hai bậc (C2) và mặt phẳng đối xứng nằm ngang (σh)].
Hexanitrogen (N₆ ) , dạng thù hình trung tính mới của nitơ, được tổng hợp ở nhiệt độ phòng thông qua phản ứng pha khí giữa clo (Cl₂) hoặc brom (Br₂) với bạc azide (AgN₃) dưới áp suất giảm. Sau đó, hexanitrogen được giữ ở nhiệt độ cực thấp trong ma trận argon ở 10 Kelvin. Các nhà nghiên cứu cũng đã có thể điều chế hexanitrogen ở dạng tinh khiết dưới dạng màng ở 77 Kelvin (nhiệt độ sôi của nitơ lỏng).
Hexanitrogen (N 6 ) được điều chế trong phòng thí nghiệm theo cách này đã được phân tích quang phổ và được chứng minh là ổn định.
Khi phân hủy, hexanitrogen (N₆ ) tách thành ba phân tử N₂ . Phản ứng này tỏa nhiệt với sự giải phóng 185.2 kcal năng lượng trên mỗi mol, cao hơn 2.2 và 1.9 lần so với năng lượng giải phóng khi phân hủy TNT và HMX tính theo khối lượng. Do sự giải phóng năng lượng lớn như vậy khi phân hủy, hexanitrogen (N₆ ) có thể là một vật liệu lưu trữ năng lượng sạch đầy hứa hẹn, tuy nhiên điều đó đòi hỏi phải giữ hexanitrogen ở nhiệt độ nitơ lỏng dưới 77K, điều này có thể không phù hợp với công nghệ lưu trữ năng lượng.
Bất chấp bất kỳ ứng dụng nào trong tương lai, việc chuẩn bị ở nhiệt độ phòng dạng thù hình phân tử trung tính mới này của nitơ có thể được giữ lại trong môi trường đông lạnh là một bước tiến đáng kể trong hóa học.
***
Tài liệu tham khảo:
- Qian, W., Mardyukov, A. & Schreiner, PR Chuẩn bị một dạng thù hình nitơ trung tính hexanitrogen C2h-N6 . Thiên nhiên 642, 356–360 (2025). Xuất bản: 11 tháng 2025 năm XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09032-9
***
, a new neutral allotrope of nitrogen which they could trap in argon matrices at 10K. The synthesis of N6 was confirmed spectroscopically and the new allotrope was demonstrated to be stable.){kind=link}