В Сколтехе группа исследователей разработала универсальную химическую модель, демонстрирующую точность около 88% при прогнозировании реакционной способности элементов, представленных в периодической таблице Менделеева. Открытие может быть применено при разработке новых материалов, включая сплавы с повышенной устойчивостью к коррозии, предназначенные для использования в ядерной энергетике, пишет Газета.ру.
Известно, что некоторые элементы, такие как кислород и фтор, склонны к образованию соединений практически со всеми элементами таблицы, в то время как другие, например, вольфрам, взаимодействуют лишь с ограниченным числом элементов. Традиционно такое поведение объясняется электроотрицательностью – свойством атома притягивать электроны, которое было количественно определено Лайнусом Полингом. Предполагается, что чем значительнее разница в электроотрицательности между двумя элементами, тем выше вероятность их взаимодействия.
Однако эта концепция не всегда объясняет наблюдаемые явления.
«Если бы все определялось только электроотрицательностью, то почти любые элементы должны были бы образовывать устойчивые соединения. Но в реальности многие из них вовсе не реагируют друг с другом», — пояснил руководитель исследования, профессор Сколтеха Артем Оганов.
Например, модель Полинга переоценивает реакционную способность щелочных металлов, что не соответствует экспериментальным данным.
Исследователи установили, что помимо электроотрицательности, существенную роль играет и другой фактор – стремление атомов к сохранению постоянной электронной плотности. В процессе образования соединения электронная плотность атомов выравнивается, и чем больше разница в электронной плотности исходных элементов, тем больше энергии требуется для осуществления реакции. Этот дестабилизирующий эффект может превосходить электростатическое притяжение электронов.
В рамках новой модели каждый элемент характеризуется двумя параметрами: электроотрицательностью и сопротивлением изменению электронной плотности. Этого достаточно для точного прогнозирования образования соединений для большинства комбинаций элементов. Важно отметить, что модель изначально ориентирована на твердые тела, в отличие от шкалы Полинга, разработанной для простых молекул.
Этот подход позволяет объяснить особенности щелочных металлов. Несмотря на их низкую электроотрицательность, их крупные атомы с невысокой электронной плотностью вносят значительный дестабилизирующий вклад, из-за чего образование соединений с большинством элементов становится энергетически невыгодным.
По словам Артема Оганова, разработанная модель имеет практическую ценность, позволяя прогнозировать, какие легирующие элементы могут улучшить устойчивость материалов, например, сталей, контактирующих с жидким свинцом в перспективных ядерных реакторах.
«Удивительно, что такие нетривиальные выводы удается получить из очень простой формулы», — подчеркнул исследователь.
Изображение: фрипик
