Azoto nero: risolta un’anomalia chimica di vecchia data

La tavola periodica degli elementi è stata essenziale affinché la chimica diventasse una vera scienza. La prima “tavola” venne creata da Mendeleev e ancora oggi viene utilizzata, anche se con il tempo viene aggiornata. Essa organizza gli elementi in raggruppamenti e quelli che si comportano in modo simile in colonne. È dovuto passare molto tempo prima che scoprissimo il motivo di queste somiglianze tra gli elementi. Tutto è dovuto al fatto che gli elettroni orbitano in “gusci”, ogni elemento in una colonna possiede un guscio più esterno con lo stesso numero di elettroni, con ogni riga che rappresenta un guscio aggiuntivo. Con l’avanzare della tecnologia i chimici hanno scoperto che le somiglianze sono persino maggiori di quanto appaiano inizialmente. Ad esempio, quando gli elementi della parte superiore della tavola sono sottoposti a grandi pressioni, questi assumono strutture simili a quelli che si trovano più in basso nella loro colonna, in condizioni “di riposo”. L’unica eccezione a questa particolarità è data dall’azoto, che si ostinata ad imitare il fosforo, indipendentemente dalla pressione esercitata. Un articolo pubblicato su Physical Review Letters cambia quello che si sa e descrive uno stato cristallino di azoto, che ricorda il fosforo nero.

Un tipico modello di tavola periodica degli elementi.

Qualche info “elementale”

La forma allotropica di un elemento è la sua “capacità” di presentarsi in forme diverse. Per avere un’idea più chiara prendiamo come esempio il carbonio. Il comune carbone, la grafite e il diamante sono alcune delle sue forme allotropiche. Ritornando al fosforo, esso  è un elemento versatile, che si trova più comunemente in due forme principali, allotropi bianchi e rossi, altamente volatili. Se riscaldato sotto pressione, tuttavia, il fosforo bianco si converte in una struttura più stabile, nota come fosforo nero. I suoi atomi si dispongono come dei fogli a zig-zag, diventando somiglianti a quelli della grafite. Più in basso nella tavola periodica si trovano l’arsenico e l’antimonio, che possono assumere delle forme simili.

L’azoto nero è stato creato usando azoto “normale”, che è stato posto in una cella di diamanti opposti tra loro ed esercitando poi pressioni estremamente elevate. Foto: Christian Wißler.

Nascita dell’azoto nero

Il dott. Dominique Laniel dell’Università di Bayreuth ha applicato una pressione di 1,4 milioni di atmosfere all’azoto mentre lo riscaldava a 4000 °C. Queste temperature e pressioni sono notevolmente maggiori rispetto a quelle necessarie per trasformare il fosforo. Tali condizioni non si prestano ad un facile studio di un campione, ma Laniel e i coautori hanno comunque provato a bombardare il prodotto con raggi X per apprenderne meglio la struttura.

In una nota il dottor Laniel ha dichiarato:

Siamo rimasti sorpresi e incuriositi dai dati che le misurazioni ci hanno fornito, soprattutto sulla comparsa di una struttura caratteristica del fosforo nero. Ulteriori esperimenti e calcoli hanno confermato questa scoperta. Ciò significa che non vi sono dubbi, l’azoto in effetti, non è un elemento eccezionale, ma segue la stessa regola d’oro della tavola periodica del carbonio e dell’ossigeno.

La colonna dell’azoto nella tavola periodica e quelle su entrambi i lati, sovrapposte a uno schema della struttura ondulata dell’azoto nero. Dominique Laniel

Sebbene l’azoto sia abbondante, le condizioni necessarie per renderlo “nero” sono così estreme che è improbabile che il nuovo allotropo possa essere di alcun uso diretto. Tuttavia, lo studio di nuove forme elementali può spesso migliorare la nostra comprensione di quelle a cui assomigliano di più. Alla luce di ciò, la somiglianza degli strati bidimensionali di azoto nero con il grafene, un materiale miracoloso, potrebbe dare un certo valore ai futuri studi. Continuate a seguire la nostra rubrica.