Исследователи из Сколтеха разработали универсальную химическую модель, которая с точностью около 88% прогнозирует реакционную активность элементов периодической таблицы.
Созданная модель может быть применена при разработке новых материалов, включая коррозионно-стойкие сплавы для ядерной энергетики. Об этом сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.
Химики давно понимают, что одни элементы, такие как кислород или фтор, способны образовывать соединения практически со всеми элементами периодической таблицы, тогда как другие, например, вольфрам, взаимодействуют лишь с ограниченным числом партнеров. Обычно это объясняется электроотрицательностью, то есть способностью атомов притягивать электроны, которая была количественно описана Лайнусом Полингом. Чем больше различие в электроотрицательностях двух элементов, тем выше вероятность реакции.
Однако эта логика не охватывает всех наблюдаемых явлений.
«Если бы все зависело только от электроотрицательности, то практически любые элементы должны были бы образовывать устойчивые соединения. Но на практике многие из них не реагируют друг с другом», — уточнил руководитель исследования, профессор Сколтеха Артем Оганов.
В частности, модель Полинга предсказывает очень высокую реакционную способность щелочных металлов, что не подтверждается на практике.
Ученые выявили, что помимо электроотрицательности важную роль играет еще один ключевой фактор — стремление атомов сохранять свою электронную плотность без изменений. При образовании соединения электронная плотность на границе атомов выравнивается, и чем больше различие в ней у исходных элементов, тем более энергозатратным становится этот процесс. Этот эффект, дестабилизирующий химическую связь, может перевешивать «привлечение электронов».
В новой модели каждый элемент описывается всего двумя параметрами: электроотрицательностью и сопротивлением изменениям электронной плотности. Этого оказалось достаточно для корректного предсказания образования соединений для большинства сочетаний элементов. При этом модель изначально ориентирована на твердые тела, в отличие от шкалы Полинга, созданной для простых молекул.
Данный подход позволяет объяснить парадокс щелочных металлов. Несмотря на низкую электроотрицательность, их крупные атомы с малой средней электронной плотностью вносят значительный дестабилизирующий вклад, из-за чего соединения с большинством элементов становятся невыгодными.
По словам Артема Оганова, модель имеет практическое значение. Она дает возможность заранее оценивать, какие легирующие добавки могут повысить устойчивость материалов, например сталей, контактирующих с расплавленным свинцом в современных ядерных реакторах.
«Удивительно, что такие нетривиальные выводы удается получить из очень простой формулы», — отметил ученый.
Фото: hi-tech.mail.ru