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O misterioso estado sólido do nitrogênio: como esse mistério científico foi resolvido em 1884?
Em 1884, o cientista Karol Olszewski observou nitrogênio sólido pela primeira vez, uma descoberta importante que desvendou o mistério do nitrogênio. O estudo do nitrogênio sólido ainda atrai grande atenção na comunidade acadêmica, não apenas por sua aplicação na pesquisa científica, mas também porque desempenha um papel importante na composição de corpos celestes no sistema solar externo.
O nitrogênio sólido é um componente importante de corpos extraterrestres em baixas temperaturas e baixas pressões; em altas temperaturas e altas pressões, é um explosivo poderoso com uma densidade de energia superior à de outros materiais não nucleares.
Geração de nitrogênio sólido
O método experimental de Olszewski é bastante simples, mas muito criativo: ele primeiro liquefez o hidrogênio evaporando o nitrogênio líquido e depois usou a baixa temperatura do hidrogênio líquido para resfriar o nitrogênio e torná-lo sólido. Esse processo permitiu que ele produzisse a temperatura de nitrogênio mais fria já registrada naquela época, 48 K (cerca de -225°C), estabelecendo um recorde mundial. Até hoje, a tecnologia para gerar nitrogênio sólido em laboratório ainda segue um processo semelhante, evaporando nitrogênio líquido no vácuo.
Existência na natureza
O nitrogênio sólido tem uma distribuição significativa na natureza e pode até ser encontrado nas superfícies de Plutão e do satélite de Netuno, Tritão. O nitrogênio sólido foi observado diretamente pela primeira vez em Plutão pela sonda espacial New Horizons em 2015, enquanto um fenômeno semelhante foi confirmado em Tritão pela Voyager 2 em 1989. Nessas baixas temperaturas, o nitrogênio sólido é relativamente volátil e pode sublimar e formar uma atmosfera ou condensar novamente em nitrogênio congelado. O nitrogênio sólido flui em pressões mais baixas do que outros materiais e, quando se acumula, assume a forma de uma geleira, o que faz as pessoas se maravilharem com as propriedades do nitrogênio sólido.
A New Horizons observou gelo de água "flutuando" na superfície de Plutão, deixando os observadores surpresos com o comportamento do nitrogênio sólido.
Transformação e propriedades do nitrogênio sólido
O nitrogênio sólido exibe propriedades diferentes em diferentes pressões e temperaturas. À pressão atmosférica padrão, o ponto de fusão do nitrogênio é 63,23 K. O nitrogênio é um elemento que existe em muitas formas sólidas, e as propriedades dessas formas que derretem e sublimam sob alta pressão têm atraído pesquisas extensas. O que é ainda mais notável é que o nitrogênio sólido exibe uma densidade de energia incrível sob alta pressão, o que o torna valioso no campo de materiais energéticos.
Estrutura cristalina do nitrogênio sólido
O dinitrogênio sólido existe na forma de moléculas de N2 à temperatura ambiente e pressão média. Quando a temperatura cai abaixo de 35,6 K, o nitrogênio pode se transformar na fase α e começar a polimerizar a uma pressão de 50 GPa. Condições de pressão mais altas promovem a transformação de nitrogênio sólido em cristais de nitrogênio com estruturas diferentes [como nitrogênio cúbico e hexagonal]. Essas diferentes estruturas cristalinas apresentam variações significativas nas propriedades físicas e químicas.
A existência de nitrogênio na forma sólida despertou grande interesse em sua estabilidade e reatividade em ambientes extremos, especialmente aqueles em corpos não terrestres.
Aplicações e perspectivas futuras
As propriedades do nitrogênio sólido fazem dele uma direção importante para pesquisas futuras, especialmente na aplicação de materiais energéticos e no aprofundamento da física teórica. Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, o nitrogênio sólido pode desempenhar um papel fundamental na exploração espacial ou em outros campos científicos e tecnológicos. Os cientistas estão constantemente explorando a diversidade do nitrogênio sólido e suas potenciais aplicações, na esperança de que esse elemento aparentemente comum possa demonstrar desempenho extraordinário em futuras pesquisas científicas.
Como a pesquisa sobre nitrogênio sólido afetará nossa compreensão e aplicação da matéria no futuro?
