Ученые Сколтеха совершили фундаментальный прорыв в химии

Исследователи из Сколковского института науки и технологий представили химическую модель, способную с высокой точностью предсказывать реакционную активность элементов из таблицы Менделеева — на уровне около 88%. Эта разработка может сыграть ключевую роль в создании новых материалов, таких как коррозионно-стойкие сплавы, которые будут использоваться в ядерной энергетике. Информация об этом была предоставлена пресс-службой учебного заведения.

Химики давно заметили, что некоторые элементы, такие как кислород или фтор, активно взаимодействуют с большинством других элементов, тогда как вольфрам реагирует лишь с немногими. Традиционная интерпретация этого явления основывается на концепции электроотрицательности, предложенной Лайнусом Полингом, где предполагается, что большая разность в электроотрицательностях повышает вероятность реакции. Однако данная теория не охватывает многие наблюдаемые случаи. Как отметил Артем Оганов, ведущий исследователь, если бы реакционная способность определялась только электроотрицательностью, то следовало бы ожидать образования соединений почти между всеми элементами. На практике же многие элементы вообще не вступают в реакции между собой.

Модель Полинга, например, предсказывает, что щелочные металлы должны иметь высокую реакционную способность, что не соответствует действительности. Ученые выявили, что кроме электроотрицательности, еще одним важным фактором является стремление атомов поддерживать свою электронную плотность без изменений. При образовании молекул эта плотность у границы атомов выравнивается, и если различия электронных плотностей исходных элементов значительны, процесс становится более затратным с энергетической точки зрения. Этот эффект, оказывающий дестабилизирующее влияние на химические связи, может преобладать над "привлекательной" силой электронов.

В новой модели элементы описываются при помощи двух простых параметров: электроотрицательностью и сопротивлением изменению электронной плотности. В большинстве случаев этого оказывается достаточно для точного прогноза образования соединений между элементами. Данный подход направлен на твердые тела, в отличие от первоначальной шкалы Полинга, которая разрабатывалась для простых молекул. Это позволяет, в частности, объяснить странности, связанные со щелочными металлами. Несмотря на их низкую электроотрицательность, крупные атомы этих металлов с низкой средней электронной плотностью вносят значительный дестабилизирующий вклад, что делает образование соединений с большинством других элементов маловероятным и невыгодным.

Как отметил Артем Оганов, новая модель имеет практическое значение, так как позволяет оценивать, какие легирующие добавки могут повысить прочность и устойчивость материалов, включая стали, которые контактируют с расплавленным свинцом в перспективных ядерных реакторах. Удивительно, что такие сложные выводы можно уловить, исходя из очень простой формулы.

Читайте также: