Stopień utlenienia przyjmuje zwykle wartości od –4 do +8, a w jednym przypadku +9. Naukowcy z Centrum Nowych Technologii dokonali zaawansowanych obliczeń kwantowomechanicznych i na ich podstawie zaproponowali kilka prostych cząsteczek, w których stopień utlenienia wynosi +9, a nawet mógłby przyjmować wartość 10.

Stopień utlenienia to liczba całkowita przyporządkowana danemu atomowi w związku chemicznym opisująca hipotetyczny nadmiar lub niedomiar elektronów w porównaniu z atomami w czystym pierwiastku chemicznym. Przypisywanie atomom różnych stopni utleniania ułatwia katalogowanie większej liczby związków chemicznych tworzonych przez ten sam pierwiastek. Przykładowo, w cząsteczce wody, H₂O, przyjmuje się, że stopień utlenienia wodoru to +1, zaś tlenu to –2. Znana jest także woda utleniona, której wzór strukturalny jest inny (H₂O₂) i różne są także jej właściwości fizyczne i chemiczne; tu stopnia utlenienia wodoru się nie zmienia, ale tlenu wynosi –1.

Do niedawna sądzono, że maksymalny stopień utlenienia może wynosić +8, ale w 2014 roku zaobserwowano kation tlenku irydu(IX), IrO₄⁺, w którym atomowi irydu można przypisać stopień utlenienia +9. Wcześniej wynik ten przewidziano jednak teoretycznie, wykorzystując metody obliczeniowe chemii kwantowej.

Zespół kierowany przez prof. Wojciecha Grochalę z Centrum Nowych Technologii (CeNT) UW od lat zajmuje się nietypowo wysokimi stopniami utlenienia pierwiastków chemicznych, szczególnie srebra i lekkich gazów szlachetnych. Tym razem badacze postanowili podjąć problem tego, jaki jest największy osiągalny stopień utlenienia dowolnego pierwiastka chemicznego. Ponieważ elektrony w atomach osłaniają jądro „warstwowo” – tzw. powłokami, poszukiwane przez zespół ekstremalne stopnie utlenienia odpowiadają całkowitemu usunięciu elektronów z najbardziej zewnętrznej powłoki (tzw. walencyjnej).

– W badaniach kierowaliśmy się m.in. wynikami teoretycznymi uzyskanymi w 2016 roku przez zespół amerykański Truhlara. Wskazywały one na możliwą stabilizację dwukationu PtO₄²⁺. Chociaż kolejna praca z 2018 roku używająca lepszej metodologii sugerowała bardzo krótki czas „życia” tego kationu, pierwotne wyniki stanowiły naszą inspirację – mówi dr Łukasz Wolański, członek zespołu warszawskiego.

Do badań wybrane zostały pierwiastki posiadające więcej niż 8 elektronów walencyjnych, które potencjalnie mogłyby „oddać” wszystkie elektrony. Następnie tworzono z nich dodatnie jony centralne, które otaczano jonami ujemnymi, tworząc modele małych cząsteczek. Wokół dodatniego jonu centralnego, który ma formalnie wysoki stopień utlenienia, można zgromadzić tylko niewielką liczbę jonów ujemnych ze względu na mały promień jonu dodatniego; tu liczba jonów ujemnych wynosiła 4.

– Ze względu na ograniczenie liczby jonów ujemnych postanowiliśmy użyć trójujemnego (–3) jonu azotkowego. Zapewnia on lepszą kompensację wysokiego ładunku jonu centralnego niż dotychczas używane jony tlenkowy (–2) i fluorkowy (–1). Mimo pierwotnych obaw, że przez umiarkowaną zdolność przyciągania do siebie elektronów jon ten straci elektrony w starciu z silnie utleniającymi kationami metali przejściowych, udało się pokazać, iż proponowane cząsteczki mogą mieć dłuższe „życie” niż te, o których wcześniej spekulowano w literaturze – wspomina dr hab. inż. Paweł Szarek z CeNT UW.

– Wyniki obliczeń wskazują, że związki tlenkowo-azotkowe irydu oraz rodu mogą wykazywać dziewiąty, a platyny nawet dziesiąty stopień utlenienia. Dodatkowo, niektóre z nich w przeciwieństwie do IrO₄⁺ lub PtO₄²⁺ są obojętne elektrycznie, więc można podjąć próby wyizolowania większej ich ilości – precyzuje Mateusz Domański, doktorant w Centrum Nowych Technologii UW.

– Nasza strategia to liczenie elektronów pierwiastków na palcach; w planowaniu tego typu wystarczy umieć liczyć do dziesięciu – mówi żartobliwie prof. Wojciech Grochala. I dodaje: – Z niecierpliwością czekamy na eksperymenty mogące potwierdzić nasze przewidywania.