Сколтех: реакционная активность всех элементов объяснена универсальной моделью

Исследователи из Сколтеха предложили универсальную химическую модель, которая с точностью около 88% предсказывает реакционную активность элементов таблицы Менделеева. Разработка может использоваться при создании новых материалов, в том числе коррозионно-стойких сплавов для ядерной энергетики. Об этом "Газете.Ru" сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.

Химики давно знают, что одни элементы — например кислород или фтор — образуют соединения почти со всей таблицей Менделеева, тогда как другие, такие как вольфрам, реагируют лишь с немногими партнерами. Традиционно это объясняют электроотрицательностью — способностью атомов притягивать электроны, количественно описанной Лайнусом Полингом. Чем больше разность электроотрицательностей двух элементов, тем выше вероятность реакции.

Однако эта логика не объясняет всех наблюдений.

"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.

В частности, модель Полинга предсказывает крайне высокую реакционную способность щелочных металлов, чего на практике не наблюдается.

Ученые показали, что помимо электроотрицательности важную роль играет еще один фундаментальный фактор — стремление атомов сохранять свою электронную плотность неизменной. При образовании соединения электронная плотность на границе атомов выравнивается, и чем сильнее она различается у исходных элементов, тем более энергозатратным становится процесс. Этот эффект, дестабилизирующий химическую связь, может перевешивать "притяжение электронов".

В новой модели каждый элемент описывается всего двумя параметрами: электроотрицательностью и сопротивлением изменению электронной плотности. Этого оказалось достаточно, чтобы корректно предсказывать образование соединений для большинства сочетаний элементов. При этом модель изначально ориентирована на твердые тела, в отличие от шкалы Полинга, разработанной для простых молекул.

Подход позволяет, в частности, объяснить парадокс щелочных металлов. Несмотря на низкую электроотрицательность, их крупные атомы с малой средней электронной плотностью дают большой дестабилизирующий вклад, из-за чего соединения с большинством элементов оказываются невыгодными.

По словам Артема Оганова, модель имеет и практическое значение. Она позволяет заранее оценивать, какие легирующие добавки могут повысить устойчивость материалов, например сталей, контактирующих с расплавленным свинцом в перспективных ядерных реакторах.

"Удивительно, что такие нетривиальные выводы удается получить из очень простой формулы", — отметил ученый.