Arkistoitu

Ksenonia ja vettä – tulkoon HXeOXeH!


Jalokaasut eivät reagoi – niin luultiin pitkään. Nykyään jalokaasujen molekyylejä tunnetaan kymmenittäin. Sopivin menetelmin ja välinein kemistit muokkaavat jalokaasuista mielenkiintoisia ja merkillisiä yhdisteitä, jotka kertovat kemiallisen reaktiivisuuden mahdollisuuksista ja monimuotoisuudesta. Viimeisin tulokas jalokaasumolekyylien kartalla on vesimolekyyli, johon on upotettu lisäksi kaksi ksenonatomia.

Jalokaasut ovat hajuttomia, mauttomia ja näkymättömiä kaasuja, jotka palvelevat yhteiskuntaa monilla eri tavoin. Niitä käytetään esimerkiksi valomainoksissa, ilmapallojen täyteaineena ja suojakaasuina. Jalokaasujen reaktiivisuutta pidettiinkin pitkään mahdottomana, mutta viimeisten 50 vuoden aikana myös osa jalokaasuista ovat saaneet taipua kemistien käsittelyssä. Ainoastaan helium ja neon uhmaavat edelleen kemiallisia reaktioita ylhäisessä yksinäisyydessään. Muut jalokaasut – argon, krypton, ksenon ja radon – ovat jo antautuneet, ja millaista kemiaa niillä voikaan tehdä…


Helsingissä syntyi juuri HXeOXeH, joka on uusin tulokas jalokaasuhydridien suomalaisessa perheessä eli numero 22 molekyylien perheessä, jossa molekyylien tunnusmerkkinä on jalokaasun ja vedyn välinen kovalenttinen sidos. Suurin osa uusista molekyyleistä ovat ksenonin muodostamia yhdisteitä, mutta joukkoon mahtuu myös kryptonin yhdisteitä ja maailman ensimmäinen argonia sisältävä molekyyli, HArF. Ja kaikki nämä molekyylit ovat suomalaista designia.

Jalokaasut uhmaavat perinteistä oktettisääntöä muodostaessaan yhdisteitä. Ne harrastavat perinteistä elektronien vaihdantataloutta, mutta eivät ainoastaan yhden lähiatomin vaan kenties useammankin atomin kanssa. Lisäksi jalokaasut mielellään imitoivat halogeeneja naamioitumalla positiivisten varausten taakse, sillä riisumalla jalokaasuatomi yhdestä elektronista se saadaan luulemaan olevansa reaktiivinen halogeeniatomi.

HXeOXeH on esimerkki molekyylistä, jossa elektroneja vaihdetaan ja lainataan. Samalla molekyylistä löytyy niin ionisia kuin kovalenttisia sidosluonteita. Molekyylin kovalenttisuus esiintyy lähinnä ksenonien ja vetyjen välisissä sidoksissa kun taas ionisuus keskittyy ksenonin ja hapen väliseen vuorovaikutukseen. Yksinkertaistettuna HXeOXeH voidaan esittää varauksia kuvaavassa muodossa (HXe)δ+ Oδ- (HXe)δ+ joka kertoo molekyylin eriskummallisesta elektronisesta rakenteesta.

Miten HXeOXeH-molekyyli tehdään?

HXeOXeH-molekyylin tekeminen vaatii kekseliäisyyttä ja hyvän pakastimen. Kokeissa käytettiin kiinteä ksenonkidettä molekyylin eristämisessä ja näytteen lämpötila oli noin –264 Celsius-astetta. HXeOXeH-molekyyli ei muodostu näissä lämpötiloissa itsestään vaan se pitää rakentaa osista. Alunperin kylmään ksenoniin eritettyä vettä hajoitettiin laserilla, jolloin näytteeseen saatiin aikaiseksi vetyatomeja, jotka lohkesivat vesimolekyylistä. Yksittäisiä vetyatomeja liitettiin sen jälkeen yhteen ksenon-liimalla OH-radikaalin kanssa. Tästä vaiheesta tutkijat tekivät HXeOH-molekyylin, joka tehtiin ensimmäisen kerran Helsingissä jo vuonna 1999.

HXeOH-molekyyli voidaan taas hajoittaa toisella laserilla, jolloin muodostuu HXeO-radikaali ja vetyatomi. Tämän jälkeen tutkijat käyttivät taas ksenonliimaa, jolla muodostuneet osaset saatiin yhteen ja rakentamaan HXeOXeH-molekyyli. Koko urakka vaatii ainoastaan hyvän pakastimen, pari erilaista laseria (värivaloja) ja runsaasti mielikuvitusta, jotta ksenonia voidaan upottaa veden sisään.

Mihin HXeOXeH-molekyyliä voi käyttää?

Tässä vaiheessa molekyyli on ainoastaan tutkijoiden hyppysissä ja sen kuriositeettina on kertoa ksenonin kemiallisesta reaktiivisuudesta ja monimuotoisuudesta. Tällä hetkellä ei ole näköpiirissä kaupallisia sovelluksia tai tietoa elämän synnystä, mutta molekyyli voi esimerkiksi auttaa tutkijoita askeleen eteenpäin heidän ihmetellessä, miksi ksenon on niin hyvä nukutusaine ja miten tämä prosessi toimii molekyylitasolla.

Mutta mikä on mielenkiintoisinta HXeOXeH-molekyylissä? No tietenkin se, että se näyttää samanlaiselta mikki hiiren päältä kuin vesimolekyylikin, mutta ainoastaan korvat ovat hyvin paljon isommat…

Lähteet:

M.Pettersson, L.Khriachtchev, J.Lundell, M.Räsänen, J.Am.Chem.Soc. 121 (1999) 11904.
L.Khriachtchev, K.Isokoski, A.Cohen, M.Räsänen, R.B.Gerber, J.Am.Chem.Soc. 130 (2008) 6114.

Jan Lundell Jan Lundell on akatemiatutkija ja dosentti, joka tutkimuksessaan soveltaa tietokoneavusteisia menetelmiä kemian ongelmien ja kemian tuntemattomien maailmojen kartoittamiseen.


Kommentoi [3]

Onko HXe posiitivinen pooli ja O negatiivinen kuten vedellä vai onko tämä tyhmä kysymys?

— Juha Alanne · 16 10 2008 - 14:22 · #

Kysymys on paikallaan, sillä ainakaan minulla varauksia kuvaava muoto ei näy oikein. Lähteenä käytetyn artikkelin mukaan osittaisvaraukseksi on CCSD-menetelmällä laskettu vedylle −0,180, ksenonille +0,896 ja hapelle −1,431. Tilanne on sama kuin muissa jalokaasuhydrideissä: vety- ja jalokaasuatomin muodostama yksikkö on varautunut positiivisesti, ja siihen on liittynyt elektronegatiivinen osa.

— Teemu Rajala · 17 10 2008 - 20:41 · #

Nyt on osittaisvarauksia kuvaava muoto oikein. (Ainakin näkyy minulla kuten tarkoitettu.) Lisäsin samalla puuttuvan animaatiokuvan.

— Veli-Matti Vesterinen · 20 10 2008 - 23:06 · #

Textile ohje