Scienty

Фото: img.freepik.com

Ученые из Сколтеха разработали универсальную и удобную в использовании химическую модель, которая с точностью прогнозирует реакционную способность элементов, входящих в таблицу Менделеева, в 88% ситуаций. Данная модель учитывает электроотрицательность элементов, то есть способность их атомов притягивать электроны, при этом она уравновешивает этот параметр за счет анализа другого важного фактора – тенденции атомов поддерживать постоянство своей электронной плотности. Опубликованное в журнале Nature Communications и подержанное Благодаря поддержке Российского научного фонда, планируется разработка инновационных материалов, в частности, сплавов, обладающих повышенной устойчивостью к коррозии и используемых в конструкции ядерных реакторов.

Некоторые химические элементы, как, например, вольфрам, демонстрируют крайне ограниченное число возможных реакций. В то же время другие, такие как кислород и фтор, способны формировать устойчивые соединения с большинством элементов, представленных в периодической таблице. Более двух столетий ученые-химики пытаются найти простое и логичное объяснение этому явлению.

Наиболее распространенное объяснение связано с электроотрицательностью – концепцией, впервые получившей количественное выражение благодаря Лайнусу Полинг, лауреату двух Нобелевских премий. Электроотрицательность элемента характеризует степень его способности притягивать электроны или, наоборот, отдавать их. Это значение определяется на основе энергий химических связей, которые устанавливаются в ходе экспериментальных исследований.

«По словам автора исследования, руководителя Лаборатории дизайна материалов и заслуженного профессора Сколтеха, вероятность химической реакции можно спрогнозировать, опираясь на разницу в электроотрицательности взаимодействующих элементов: чем она выше, тем выше вероятность реакции Артем Оганов.

«По мнению Оганова, привлекательность этой модели заключается в ее простоте, однако ее логика предполагает, что любые два элемента должны формировать прочное соединение из-за разницы в их электроотрицательности. Тем не менее, это не соответствует действительности, поскольку многие элементы не вступают в реакцию друг с другом.

«Хотя данная модель и предлагает убедительное объяснение высокой реакционной способности наиболее электроотрицательных элементов, таких как фтор, она также предполагает, что и самые электроположительные щелочные металлы, например цезий, должны вступать в реакцию практически со всеми элементами, что не соответствует действительности, — отмечает исследователь.

Существует некая сила, препятствующая атомам отдавать или притягивать электроны. Если этот дополнительный фактор достаточно силен, он может доминировать и сделать образование соединения энергетически нецелесообразным, а следовательно, нестабильным. Подобный дестабилизирующий компонент был включен в свою формулу нидерландским ученым Андрисом Ринсе Миедема, однако его модель применима только к металлам.

Вклад Миедема заключается в том, что, помимо электроотрицательности, атомы различных химических элементов характеризуются различной электронной плотностью. При формировании соединения электронные плотности на границе между атомами стремятся к выравниванию. Чем существеннее начальная разница в электронных плотностях, тем больше энергии требуется для их перераспределения в процессе образования химической связи. Следовательно, разность электроотрицательностей повышает стабильность возможного соединения и способствует протеканию реакции, в то время как разность электронных плотностей оказывает противоположное воздействие.

«Модель Миедемы, разработанная в 1970-х годах, демонстрировала хорошую эффективность при работе с металлами, однако уравнения включали в себя несколько неудобных коэффициентов, которые со временем становились все более сложными, что привело к потере интереса к ней, — отмечает Оганов. — Мне стало ясно, что эту модель можно сделать одновременно и более простой, и применимой к большему кругу задач. В научных исследованиях нередки случаи, когда упрощение, избавление от ненужной сложности, позволяет не только сохранить точность, но и значительно расширить возможности применения модели».

Модель, разработанная учеными из Сколтеха, отличается своей простотой. Каждый химический элемент в ней характеризуется всего двумя параметрами: электроотрицательностью и показателем устойчивости к изменению электронной плотности. Важно отметить, что этого оказывается вполне достаточно для точного прогнозирования образования любых химических соединений, состоящих из всех элементов периодической таблицы, с вероятностью 88%.

Новая модель обладает большей универсальностью, поскольку, в отличие от шкалы Полинга, которая разработана для двухатомных молекул с одинарными связями и плохо применима к твердым телам, она изначально предназначена для описания твердых тел и может быть применена к молекулам.

Благодаря стабилизирующему компоненту, который представляет собой переосмысление понятия электроотрицательности, модель верно определяет высокую реакционную способность кислорода, хлора и других электроотрицательных элементов. Что касается парадокса, связанного со щелочными металлами, которые, несмотря на крайне низкую электроотрицательность, не взаимодействуют с большинством элементов, то он разрешается следующим образом: эти элементы характеризуются большими атомами и содержат только один валентный электрон, доступный для формирования химических связей, вследствие чего их средняя электронная плотность мала, что приводит к увеличению дестабилизирующего члена в уравнении.

По мнению исследователей, при возрастании давления, когда атомы, изначально расположенные на большем расстоянии, становятся более плотно упакованными, их электронная плотность увеличивается, что приводит к снижению влияния дестабилизирующего фактора. При этом, как ранее продемонстрировал Оганов, сжатие, наоборот, приводит к увеличению разности электроотрицательностей, что способствует поддержанию стабилизирующего фактора. В связи с этим, достаточно высокое давление способно спровоцировать взаимодействие между многими элементами – возможно, всеми.

По мнению Оганова, разработанная модель обладает практической ценностью: «К числу передовых ядерных реакторов относятся модели, использующие быстрые нейтроны со свинцовым теплоносителем. В них тепловая энергия, генерируемая в активной зоне, передается расплавленным свинцом вместо воды или жидкого натрия. Проблема заключается в том, что расплав свинца, в отличие от натрия, при высоких температурах оказывает коррозионное воздействие на железо. Наша модель позволяет предположить, что добавление хрома, углерода, а также, в большей степени, вольфрам и рений способно увеличить коррозионную стойкость стали или материала защитного слоя. Примечательно, что такие неожиданные выводы получены благодаря достаточно простой модели».