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南開大學科研人員發(fā)現(xiàn)壓力下元素的變化趨勢

發(fā)布時間:2022-03-15 10:22:00來源: 光明網(wǎng)-《光明日報》

  【科技前沿】

  光明日報天津3月14日電(記者劉茜、陳建強 通訊員喬仁銘)門捷列夫的元素周期律揭示了元素之間的規(guī)律與特性,是長期以來化學學科最重要的基礎知識。記者14日從南開大學獲悉,南開大學物理科學學院董校副教授課題組和俄羅斯skoltech研究院Artem R.Oganov教授課題組及其他合作者發(fā)現(xiàn),隨著壓力增加,各元素間的電負性和化學硬度排序會出現(xiàn)顯著改變,進而導致各元素間化學性質的重新排列,相關研究論文近期將發(fā)表在《美國科學院院刊》。

  數(shù)十年來,人們一直認為電負性和化學硬度是元素的固有性質,不隨外界條件的改變而改變。董校及科研團隊在前人研究的基礎上,利用第一性原理計算,結合組內開發(fā)的“帶電氦矩陣”方法,揭示了氫到鋦之前96種元素在500GPa以內的電負性和化學硬度隨壓力的變化趨勢。其研究表明,壓力會顯著地改變元素的電負性和化學硬度。與前人理解的不同,壓力會改變元素化學勢和電荷間的函數(shù)關系,從而改變元素的化學性質。

  董校及其科研團隊具體介紹了三個方面的元素性質的變化。一是壓力會普遍降低各個元素的化學硬度,從而導致高壓下整個元素周期表向金屬性偏移,使得更多的元素表現(xiàn)出金屬特性,如金屬化現(xiàn)象、聚合現(xiàn)象等。而常壓下的典型非金屬元素如碳、氮、氧等會出現(xiàn)性質移動,如氮在高壓下取代了碳變?yōu)樽钊菀仔纬蓮碗s化合物的元素,在100GPa至200GPa,氮的電負性和化學硬度與常壓碳非常相似,可以形成大量的環(huán)狀、鏈狀和空間骨架的復雜結構,有望構建起高壓誘導的“氮基”有機化學。二是100GPa以上,壓力可以模糊長周期間的界限,如Cs的6s、5d和5p軌道間的能隙會顯著減小,從而使Cs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,高角動量電子因其具有更少的節(jié)點而在高壓下焓值顯著降低,進而改變了原有的軌道交錯規(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,從而進一步引起其性質改變。這些研究結果可以解釋大量已發(fā)表的理論預測和實驗現(xiàn)象,并預測高壓下的化合物形成規(guī)律,為設計高壓下新型化合物構筑了理論基礎。

(責編: 李雨潼)

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