Ученые из Сколтеха предложили универсальную химическую модель, которая объясняет, почему одни элементы таблицы Менделеева легко вступают в реакции, а другие образуют соединения очень редко. Работа опубликована в журнале Nature Communications при поддержке Российского научного фонда.
Известно, что кислород и фтор реагируют почти со всеми элементами, тогда как вольфрам или рений крайне разборчивы. Долгое время это пытались объяснить электроотрицательностью — способностью атомов притягивать или отдавать электроны. Эту характеристику еще в XX веке ввел Лайнус Полинг, и во многих случаях она действительно работает. Чем больше разность электроотрицательностей, тем выше вероятность реакции. Но такая логика не объясняет, почему щелочные металлы с крайне низкой электроотрицательностью не реагируют с большинством элементов.
Команда Сколтеха под руководством Артема Оганова показала, что в картине не хватало еще одного ключевого фактора. Помимо обмена электронами, атомы стремятся сохранить свою электронную плотность. При образовании соединения электронные облака на границе атомов выравниваются. Если исходная разница слишком велика, это требует значительных энергетических затрат и делает соединение неустойчивым.
Похожую идею в 1970-х предложил нидерландский ученый Андрис Миедема, но его модель применялась только к металлам и со временем стала слишком громоздкой. В Сколтехе упростили подход и распространили его на всю таблицу Менделеева. В новой модели каждый элемент описывается всего двумя параметрами — электроотрицательностью и сопротивлением изменению электронной плотности. Этого оказалось достаточно, чтобы с точностью около 88% предсказывать образование устойчивых соединений.
Модель объясняет как высокую реакционную способность галогенов, так и «инертность» щелочных металлов. У последних крупные атомы и низкая средняя электронная плотность, поэтому дестабилизирующий вклад оказывается слишком велик. При высоком давлении ситуация меняется — атомы уплотняются, электронная плотность растет, и элементы начинают реагировать активнее. Это согласуется с предыдущими работами, показывающими, что при сжатии разность электроотрицательностей тоже увеличивается.
Предложенная химическая модель позволяет оценивать, какие добавки могут повысить коррозионную устойчивость сталей, например, в ядерных реакторах со свинцовым теплоносителем. Расчеты показали, что особенно эффективными могут быть вольфрам и рений.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что российские химики синтезировали органические кислоты с уникальными свойствами.
