Химики объяснили реакционную активность всех элементов универсальной моделью

Исследователи из Сколтеха предложили универсальную и интуитивно понятную химическую модель, которая верно предсказывает реакционную активность элементов таблицы Менделеева в 88% случаев. Новая модель уравновешивает электроотрицательность элементов, то есть склонность их атомов притягивать электроны, за счет учета другого фундаментального фактора — стремления атомов сохранить свою электронную плотность неизменной. Опубликованное в журнале Nature Communications и подержанное Российским научным фондом исследование поможет разработке новых материалов, например устойчивых к коррозии сплавов, входящих в состав ядерных реакторов.

У одних химических элементов, таких как вольфрам, возможные партнеры для реакций наперечет. Другие образуют стабильные соединения почти со всей таблицей Менделеева — таковы кислород и фтор, например. Более двух столетий химики искали этому простое и интуитивно понятное объяснение. Основное доступное объяснение отсылает к понятию электроотрицательности, которую впервые количественно описал лауреат двух Нобелевских премий Лайнус Полинг. Электроотрицательность элемента отражает то, насколько сильно его атомы притягивают электроны или, наоборот, насколько охотно они избавляются от электронов. Эту величину можно вывести из энергий химических связей, которые измеряются в экспериментах. «Зачастую можно предсказать, какие элементы вступают в реакцию, на основании разности их электроотрицательностей: чем она больше, тем вероятнее реакция», — поясняет автор исследования заслуженный профессор Сколтеха, руководитель Лаборатории дизайна материалов Артем Оганов. «Эта модель привлекательна своей простотой, но по ее логике любые два элемента должны были бы образовывать устойчивое соединение, ведь их электроотрицательности отличаются. Конечно, это не так: многие элементы друг с другом вовсе не реагируют», — отмечает Оганов. «Пусть эта модель и дает элегантное объяснение высокой реакционной активности самых электроотрицательных элементов вроде фтора, она аналогичным образом предсказывает, что и самые электроположительные щелочные металлы, например цезий, должны реагировать почти со всеми элементами, чего не наблюдается», — добавляет ученый. Получается, какая-то другая сила противодействует стремлению атомов отдавать или притягивать электроны. Будучи достаточно выраженным, этот дополнительный фактор может перевесить и сделать соединение энергетически невыгодным, а значит, нестабильным. Такого рода дестабилизирующую добавку ввел в свою формулу нидерландский ученый Андрис Ринсе Миедема, однако его модель применима только к металлам. Физический смысл внесенного Миедемой дополнения таков: помимо электроотрицательности, у атомов разных химических элементов отличается электронная плотность. Когда образуется соединение, электронные плотности на границе между атомами выравниваются. Чем больше изначальное различие между электронными плотностями, тем более энергозатратно их перераспределение при образовании связи. Таким образом, разность электроотрицательностей делает возможное соединение стабильнее, способствуя реакции, а разность электронных плотностей имеет обратный эффект. «Предложенная в 1970-х модель Миедемы весьма хорошо работала в случае металлов, но уравнения содержали ряд довольно неприятных множителей, а с годами еще больше усложнились, и в итоге люди потеряли к ним интерес, — рассказывает Оганов. — Я понял, что эту модель можно сделать одновременно и проще, и универсальнее. В науке такое бывает: устраняя излишнюю сложность, вы не просто не теряете в точности, а еще и расширяете область применения модели». Опубликованная учеными из Сколтеха модель поразительно проста. Каждый химический элемент в ней описывается всего двумя параметрами: электроотрицательностью и сопротивлением изменению электронной плотности. Примечательно, что этого достаточно для корректного предсказания образования произвольных химических соединений из всех элементов таблицы Менделеева с точностью 88%. Новая модель более универсальна и еще в одном смысле: в то время как шкала Полинга сформулирована для двухатомных молекул с…

Источник: scientificrussia.ru — scientificrussia.ru/articles/himiki-obasnili-reakcionnuu-aktivnost-vseh-elementov-universalnoj-modelu