1869年元素周期表的發(fā)現(xiàn)是近現(xiàn)代化學(xué)理論誕生的標(biāo)志，幾乎全世界所有的化學(xué)教科書后都附有元素周期表。近年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，壓力會導(dǎo)致元素性質(zhì)和電子行為發(fā)生顯著改變，進(jìn)而會誘發(fā)豐富的物理化學(xué)現(xiàn)象。這是了解非常規(guī)材料合成和行星內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)等科學(xué)問題的重要途徑。南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院董校副教授課題組和俄羅斯斯科爾泰克研究院阿泰姆·R.奧加諾夫(ArtemR.Oganov)教授課題組及其他合作者花費(fèi)近十年時(shí)間研究相關(guān)問題，探索元素化學(xué)性質(zhì)在壓力下的變化規(guī)律，相關(guān)研究成果近期發(fā)表于《美國科學(xué)院院刊》。
壓力可顯著改變元素電負(fù)性和化學(xué)硬度
元素周期表深刻地反映了量子力學(xué)基本規(guī)律與化學(xué)原理間的關(guān)系。因?yàn)樵刂芷诒碓诳茖W(xué)史上突出的貢獻(xiàn)，2019年即門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期表150周年被確定為國際化學(xué)元素周期表年，《自然》《科學(xué)》等世界著名學(xué)術(shù)期刊均撰文紀(jì)念元素周期表的發(fā)現(xiàn)。
近年來，多個(gè)跡象表明元素周期律在高壓環(huán)境中會發(fā)生一定變化，而這將成為探索高壓物理和化學(xué)規(guī)律的突破口。盡管研究人員得到了大量新奇的高壓物理和化學(xué)個(gè)例，但目前尚缺乏完整且有效的理論模型來解釋這些現(xiàn)象。
1934年美國化學(xué)家羅伯特·密立根創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來描述元素的化學(xué)性質(zhì)，其中存在兩個(gè)重要的參數(shù)：電負(fù)性和化學(xué)硬度，這兩項(xiàng)參數(shù)分別對應(yīng)化學(xué)勢關(guān)于電荷數(shù)的第一階和第二階展開系數(shù)。“前者描述原子吸引電子的能力，后者描述電子狀態(tài)的穩(wěn)定性。電負(fù)性和化學(xué)硬度表現(xiàn)出明顯的元素周期律，被視為元素周期律的主要表現(xiàn)形式。”董校介紹。
數(shù)十年來，人們一直認(rèn)為電負(fù)性和化學(xué)硬度是元素的固有性質(zhì)，不隨外界條件的改變而改變。董校及科研團(tuán)隊(duì)在前人工作的基礎(chǔ)上，利用第一性原理計(jì)算結(jié)合組內(nèi)開發(fā)的“帶電氦矩陣”方法，揭示了氫到鋦之前96種元素在500吉帕以內(nèi)的電負(fù)性和化學(xué)硬度隨壓力變化的趨勢。
這項(xiàng)工作表明，壓力會顯著地改變元素的電負(fù)性和化學(xué)硬度。
“與前人理解的不同，壓力會改變元素化學(xué)勢和電荷間的函數(shù)關(guān)系，從而改變元素的化學(xué)性質(zhì)。”董校解釋，隨著壓力增加，各元素間的電負(fù)性和化學(xué)硬度排序會出現(xiàn)顯著改變，進(jìn)而導(dǎo)致各元素間化學(xué)性質(zhì)的重新排列，如在常壓下，還原性最強(qiáng)的元素為銫，但會因壓力導(dǎo)致的軌道重組變成鈉。
高壓下元素性質(zhì)主要發(fā)生三方面變化
據(jù)介紹，元素性質(zhì)的變化具體表現(xiàn)在三方面：一是壓力會普遍降低各個(gè)元素的化學(xué)硬度，從而導(dǎo)致高壓下整個(gè)元素周期表向金屬性偏移，使得更多的元素表現(xiàn)金屬特性，如金屬化現(xiàn)象、聚合現(xiàn)象等。而常壓下的典型非金屬如碳、氮、氧等會出現(xiàn)性質(zhì)移動(dòng)，如氮在高壓下取代了碳，變?yōu)樽钊菀仔纬蓮?fù)雜化合物的元素。在100吉帕至200吉帕，氮的電負(fù)性和化學(xué)硬度和常壓碳非常相似，可以形成大量的環(huán)狀、鏈狀和空間骨架的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，基于此有望構(gòu)建起高壓誘導(dǎo)的“氮基有機(jī)”化學(xué)。
二是100吉帕以上，壓力可以模糊長周期間的界限，如銫不再表現(xiàn)為堿金屬性質(zhì)，并表現(xiàn)出一定的p區(qū)元素特性。
三是電子軌道發(fā)生重排，d電子在高壓下能量下降，進(jìn)而改變了原有的軌道交錯(cuò)規(guī)律。具體表現(xiàn)為p或d軌道能量降低，電子更傾向于占據(jù)p或d軌道，從而進(jìn)一步引起其性質(zhì)改變。
董校介紹，隨著壓強(qiáng)增加，重的堿金屬和堿土金屬元素不再是電正性最強(qiáng)的元素，而出現(xiàn)過渡金屬的性質(zhì);鎳族表現(xiàn)出類似于稀有氣體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu);臨近鎳的鐵、鈷族和銅、鋅族元素在高壓下分別成為強(qiáng)的電子受體與供體。因此一個(gè)長的元素周期中，出現(xiàn)了兩個(gè)小周期，此現(xiàn)象被定義為壓力誘導(dǎo)的小周期重排。
董校最后表示：“這些計(jì)算結(jié)果可以解釋大量已發(fā)表的理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并預(yù)測高壓下的化合物形成規(guī)律，這為設(shè)計(jì)高壓下新型化合物構(gòu)筑了理論基礎(chǔ)。”
(記者陳曦)
