南開大學科研人員發現壓力下元素的變化趨勢
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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現,隨著壓力增加,各元素間的電負性和化學硬度排序會出現顯著改變,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表在《美國科學院院刊》。
數十年來,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出金屬特性,如金屬化現象、聚合現象等。而常壓下的典型非金屬元素如碳、氮、氧等會出現性質移動,如氮在高壓下取代了碳變為最容易形成復雜化合物的元素,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表現出一定的p區元素特性。三是電子軌道發生重排,高角動量電子因其具有更少的節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律,具體表現為p或d軌道能量降低,電子更傾向于占據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表的理論預測和實驗現象,并預測高壓下的化合物形成規律,為設計高壓下新型化合物構筑了理論基礎。
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