Extreme moleculen: ijzer in zijn meest exotische vorm
Deskundigen hebben nu chemisch een extreme versie van ijzer geproduceerd, die alleen in een vergelijkbare vorm in de zon wordt aangetroffen. De nieuwe verbinding bevat een ijzeratoom in het centrum dat zeven elektronen aan zijn reactanten heeft gedoneerd. In gewone verbindingen wordt ijzer slechts drie keer geoxideerd.
Zoals gerapporteerd door een team onder leiding van Carsten Mayer van de Universiteit van Erlangen-Neurenberg, werd het gecreëerd door een zeer ongebruikelijk complex met zesvoudig geoxideerd ijzer in het midden te laten reageren met een zeer reactieve verbinding bestaande uit de edelgassen xenon en fluor. . Volgens de publicatie in Nature is het resulterende molecuul dat zeven keer meer geoxideerd ijzer bevat, pas redelijk stabiel bij temperaturen onder de -50 graden Celsius en hervormt het zichzelf zeer snel. IJzerverbindingen die extreem elektronenarm zijn, kunnen zeldzame en dure elementen in chemische reacties vervangen, waardoor hulpbronnen worden bespaard.
Het ijzeratoom heeft in totaal 26 elektronen, waarvan het er vrij gemakkelijk drie afstaat en in een stabiele configuratie terechtkomt met vijf buitenste elektronen. Dit driewaardige ijzer komt bijvoorbeeld voor in roest. Maar hoe meer elektronen uit een atoom worden gehaald, hoe groter de lading en aantrekkingskracht ervan op de elektronen van andere atomen in de omgeving. Dit is de reden waarom ijzerverbindingen die ernstig geoxideerd zijn, de neiging hebben elektronen van andere moleculen te stelen. Deze bereidheid om negatieve ladingen op te geven en op te nemen zonder enige verandering aan te brengen, is een wenselijke eigenschap bij veel chemische reacties. Het maakt de door het team van Mayer ontwikkelde materialen echter ook erg onstabiel.
In de verbindingen die de werkgroep ontwikkelt, wordt het ijzer omringd door partners, die op hun beurt de elektronen heel sterk binden. Het hexagonaal geoxideerde ijzer, dat de onderzoekers ook in de publicatie beschrijven, is omgeven door een vertakt organisch molecuul dat grotendeels stikstof bevat: een enkel drievoudig gebonden stikstofatoom en fluor, het meest elektronenaantrekkende element in het periodiek systeem. Deskundigen hadden niet verwacht dat zelfs dit molecuul een elektron zou opgeven. Maar met behulp van xenonfluoride werd in het centrum van het complex zevenvoudig geoxideerd ijzer gecreëerd.
IJzer zes en zeven keer geoxideerd | Structuren van de twee nieuwe complexen, waarin ijzer wordt omgeven door sterke elektronenzuigende partners. IJzer, dat zes keer werd geoxideerd, was voorheen alleen bekend uit drie andere verbindingen.
Hierdoor ontstaat een molecuul waarin ijzer formeel meer elektronen heeft opgegeven dan welke andere bekende chemische verbinding dan ook. De omringende partners vormen bindingen met het ijzer waarin ze elektronen delen – maar ze behoren allemaal tot de partners. Daarom zijn het geen klassieke elektronenpaarbindingen, maar worden ze eerder complexe bindingen genoemd. Het feit dat deze complexen zo reactief zijn, laat zien dat de ijzeratomen feitelijk elektronen missen. Dit is de eerste keer dat zo'n groot aantal elektronen door chemische reacties uit een element is verwijderd. Anders wordt ijzer met zeven ontbrekende elektronen alleen aangetroffen in omgevingen met zeer hoge energie, zoals de magnetosfeer van de zon In planetaire nevels, waar hoge temperaturen en sterke magnetische velden elektronen van de kern scheiden.