Imagem de raio X da minúscula amostra do chamado “nitrogênio negro”. A localização dos pontinhos pretos ajudou a revelar a nova estrutura. [Periodic Videos/reprodução]
Com estrutura análoga à de uma das formas do Fósforo, essa variante sólida do gás mais comum da atmosfera foi descoberta por físicos sob condições fora do comum

Quadro-negro, milho-verde e, agora, nitrogênio negro. Parece que as pessoas gostam de dar nomes equivocados quando se tratam de cores. É verdade que a lousa, muitas vezes, realmente é preta e o milho, no pé, ainda é verde. Mas o que diabos é o nitrogênio negro e porque ele tem esse nome?

Antes de responder essa pergunta, é bom relembrar alguns conceitos das aulas de Química do Ensino Médio. Nessas aulas, o nitrogênio não costuma ser problemático em termos estruturais. Como tende a formar ligações triplas, esse elemento busca a forma biatômica, N2, que é um gás nas condições ambientais.

A coisa fica mais complicada com seu vizinho de baixo da tabela periódica, o fósforo. Além de ter um símbolo (P) que não corresponde exatamente ao nome em português, o fósforo pode ser uma dor de cabeça para os colegiais por se apresentar em duas formas sólidas: o branco, altamente reativo; e o vermelho, que na verdade é meio amarronzado e um tanto mais estável. Existe ainda um terceiro tipo de fósforo, o negro. Descoberto há alguns anos na Alemanha, esse fósforo realmente é preto feito carvão e sua estrutura lembra a de uma tela metálica, como a usada em torno das quadras escolares nas aulas de Educação Física:

Estrutura do Fósforo Negro sob dois pontos de vista: de frente, se parece com uma tela metálica (esq.); de lado, nota-se que os átomos não estão arranjados de forma plana (dir). [Periodic Videos/reprodução]

Essa variedade fosfórica levou os cientistas a se perguntar: será que o nitrogênio seria capaz de apresentar as mesmas configurações? De saída, estava claro que isso exigiria condições bastante incomuns. Normalmente, o nitrogênio exige temperaturas extremamente baixas para alcançar o estado sólido. Formar um sólido com cara de carvão, então, seria ainda mais difícil.

Parece carvão, mas é uma amostra do Fósforo Negro, variante do elemento descoberta nos últimos anos. [Periodic Videos/reprodução]

Difícil, mas não impossível. Acontece que, teoricamente, a formação desse nitrogênio sólido poderia ser facilitada sob alta pressão a temperaturas elevadas. Para verificar quão altas devem ser essas condições, físicos alemães, americanos, britânicos e suecos liderados por Dominique Laniel (Universidade de Bayreuth, Alemanha), criaram um equipamento engenhoso.

Primeiro, foi necessário construir uma prensa especial, com pontas feitas de diamante. Sobre o diamante usado como base de apoio, foi colocada uma finíssima folha de rênio, com alguns mícrons de espessura e um furo no meio. Cercado por uma cápsula, esse setup foi preenchido com nitrogênio pressurizado a cerca de 20 atmosferas. Como o nome indica, essa é uma pressão bem alta, equivalente a vinte vezes o peso da atmosfera ao nível do mar (ou da água a uma profundidade de 20 metros).

Uma vez contido, o nitrogênio passou a ser comprimido e aquecido ao mesmo tempo. A compressão foi feita pelas pontas dos diamantes que, sendo translúcidos, permitiram a aplicação de calor através de raios laser potentes. O uso dos diamantes também facilitou a observação do experimento em tempo real.

Quando as variáveis alcançaram os valores de aproximadamente 1400 atm e cerca de 4000o. C, aconteceu algo curioso. Após liberar bastante energia na forma de luz — como costuma acontecer em várias reações com esse elemento — o nitrogênio ficou momentaneamente escuro. Preto, como se tivesse sido queimado. Logo depois, porém, assumiu uma aparência vítrea. Como essa forma negra era semelhante ao fósforo negro, os cientistas passaram a chamá-la de bp-N (de black phosphorous nitrogen).

Configuração do polímero de Nitrogênio formado sob as condições testadas. A estrutura é semelhante à do Fósforo Negro, mas menos alinhada e, por isso, não é opaca. [Periodic Videos/reprodução]

Feitas com auxílio de um acelerador de elétrons para gerar raios-X, a análise estrutural revelou algo dentro do esperado: o bp-N tem mesmo uma configuração semelhante à do fósforo negro. A única diferença é que ele forma camadas de retículas meio desalinhadas, o que talvez explique sua transparência. Essa análise foi publicada em artigo assinado por Leniel et. al. em 24/05 na Physical Review Letters 1.

Como explica abaixo o Prof. Martyn Poliakoff, do Periodic Videos, essa descoberta é fruto do trabalho de uma equipe de físicos e não de químicos, como era de se esperar. Para Poliakoff, professor na Universidade de Nottingham, os químicos ainda vivem muito presos ao reino das CNTP (Condições Normais de Temperatura e Pressão) e raramente pensam em como os elementos se comportam em condições extraordinárias como a desse experimento.

Evidentemente, não há aplicação prática imediata para o que os jornalistas têm chamado erroneamente de “nitrogênio negro”. Por enquanto há apenas uma única amostra desse material, muito minúscula para qualquer pesquisa. No entanto, nada impede que futuros estudos encontrem usos para o bp-N. Dadas as condições extremas de sua formação, nada impede que esse tipo de nitrogênio sólido seja formado no espaço por eventos extremos como as supernovas. Talvez até os astrônomos achem o nitrogênio negro antes dos químicos…

Mais detalhes dessa descoberta e imagens da formação do novo tipo de nitrogênio podem ser vistos no vídeo a seguir (em inglês).

Referência
  1. LANIEL, D. et. al. High-Pressure Polymeric Nitrogen Allotrope with the Black Phosphorus Structure [Alótropo de Nitrogênio polimérico de alta pressão com estrutura do Fósforo Negro]. Phys. Rev. Lett. 124, 216001 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.216001

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