Российские гении: ученые Сколтеха предложили универсальную модель химической активности

Химическая активность элементов периодической таблицы впервые описана в виде универсальной модели, способной с высокой точностью предсказывать, какие вещества будут вступать в реакцию. Разработка позволяет по-новому взглянуть на фундаментальные законы химии и может найти прикладное применение в материаловедении. Об этом сообщили в Сколтехе, представляя результаты исследования своих учёных.

Почему элементы реагируют по-разному

Химикам давно известно, что одни элементы, такие как кислород или фтор, образуют соединения почти со всеми соседями по таблице Менделеева, тогда как другие, например вольфрам, взаимодействуют лишь с ограниченным числом партнёров. Традиционно это объяснялось разницей электроотрицательностей — способности атомов притягивать электроны, количественно описанной Лайнусом Полингом.

Согласно этой логике, чем больше разность электроотрицательностей двух элементов, тем выше вероятность реакции. Однако на практике эта схема работает не всегда и не может объяснить, почему многие потенциально "совместимые" элементы не образуют устойчивых соединений.

Новый фактор в химической связи

Исследователи Сколтеха показали, что кроме электроотрицательности существует ещё один фундаментальный параметр — стремление атома сохранять неизменной свою электронную плотность. При образовании соединения электронная плотность на границе атомов выравнивается, и если различия слишком велики, процесс становится энергетически невыгодным.

"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.

Этот дестабилизирующий эффект способен перевешивать притяжение электронов и препятствовать образованию химической связи.

Простая формула и точный результат

В предложенной модели каждый элемент описывается всего двумя параметрами: электроотрицательностью и сопротивлением изменению электронной плотности. Этого оказалось достаточно, чтобы примерно в 88% случаев корректно предсказывать реакционную способность элементов таблицы Менделеева. Важное отличие подхода — его ориентация на твёрдые тела, тогда как шкала Полинга разрабатывалась прежде всего для простых молекул.

Модель позволяет объяснить и парадокс щелочных металлов. Несмотря на их высокую ожидаемую реакционную способность, крупные атомы с низкой средней электронной плотностью дают значительный дестабилизирующий вклад, делая многие реакции невыгодными.

Практическое значение открытия

По словам Артема Оганова, разработка имеет прикладной потенциал. Она позволяет заранее оценивать, какие легирующие добавки могут повысить устойчивость материалов, включая коррозионно-стойкие сплавы для ядерной энергетики, например стали, контактирующие с расплавленным свинцом в перспективных реакторах.