Uran bryder reglerne igen

Arbejde ledet af forskergruppen til professor Steve Liddle og offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Naturkemi har rapporteret et uranditrogenmolekyle, der, ifølge grundlæggende kemisk teori, burde ikke eksistere. Det regelbrudte molekyle kan have konsekvenser for aktiveringen af ​​dinitrogen, som er et vigtigt molekyle til fremstilling af gødning.

Cirka 450 millioner tons gødning produceres hvert år ved hjælp af ammoniak fremstillet af Haber Bosch -processen, og dette er gødning, der understøtter livet på Jorden. I Haber Bosch, dinitrogen binder sig til metaller på katalysatoroverfladen og er delt. Det reagerer derefter med dihydrogen for at lave ammoniakken.

I betragtning af den store skala, Haber Bosh opererer på, i mange år har der været interesse for, hvordan dinitrogen binder sig til metaller fra omkring det periodiske system i molekylære komplekser - da disse arter kan studeres i atomiske detaljer - fordi dette informerer os om de centrale bindings- og splittetrin i Haber Bosch. Dette tegner sig for de fleste energikrav til denne proces.

En af de bedst bevarede hemmeligheder hos Haber Bosch er, at selvom jern er den foretrukne katalysator, uran er faktisk en overlegen katalysator - og der er derfor interesse for, hvordan uran binder sig til dinitrogen.

Dinitrogen er tilsyneladende et af de værste molekyler til at binde til metaller. Ja, det er så inert, at det normalt bruges som en beskyttende atmosfære for kemiske synteser, og i mademballage for at forhindre mad i at gå af. Imidlertid, under visse omstændigheder kan dinitrogenbinding til metaller tilskyndes, og i denne model skal metallet være i en lav oxidationstilstand og være elektronrig nok til at deltage i binding, hvorved dinitrogen donerer elektrontæthed til metallet og metallet frem og tilbage.

Det følger heraf, at en høj oxidationstilstand og elektronfattigt metal ikke burde være i stand til at deltage i denne bindingsmodel, fordi den ikke burde være i stand til at engagere sig i den gensidige del af bindingen.

Molekylet rapporteret i undersøgelsen er en høj oxidationstilstand, elektronfattigt metal, alligevel binder det sig til dinitrogen, en af ​​de værst tænkelige ligander. Derfor, molekylet bør ikke eksistere, alligevel gør det. Arbejdshypotesen om, hvorfor molekylet kan dannes, er, at uranet er bundet til tre ekstremt stærke donorligander, og på trods af dens høje oxidationstilstand gør disse tre ligander uranet usædvanligt elektronrig generelt, og dette tilsidesætter de sædvanlige begrænsninger for bindingsmodellen.

Dette værk omskriver en grundlæggende regel for kemi, og kan have konsekvenser mere bredt, fordi en masse dinitrogenaktiveringskemi er baseret på den antagelse, at metaller med lav oxidationstilstand er nødvendige. Imidlertid, denne undersøgelse viser nu, at metaller med høj oxidationstilstand, under de rigtige omstændigheder, kan også understøtte ny dinitrogenaktiveringskemi.

Denne viden vil give forskere mulighed for at tænke anderledes om, hvordan de skal tackle udfordringerne ved dinitrogenaktivering, og kunne endda påvirke undersøgelser af Haber Bosch -processen.