В школьном курсе химии вы, вероятно, узнали, что остовные электроны не участвуют в образовании химических связей. Считалось, что они находятся слишком глубоко внутри атома и близко к ядру, чтобы значимо взаимодействовать с электронами других атомов. Поэтому в учебниках вся «слава» химических связей отдана внешним валентным электронам.
Однако реальная наука сложнее: теоретически предполагается, что остовные электроны некоторых элементов активируются при достаточно сильном сжатии, например, при давлениях, которые встречаются в глубинах Земли.
Исследователи из Университета Буффало теперь предполагают, что для связи остовных электронов может не требоваться столько давления, сколько считалось ранее. Фактически для некоторых элементов может быть достаточно атмосферного давления, которое вы испытываете прямо сейчас на поверхности Земли.
Квантово-химические расчёты исследователей, описанные в статье, опубликованной в выпуске журнала Journal of the American Chemical Society за этот месяц, позволили получить представление о полузаполненных электронах щелочных металлов — группы высокореактивных элементов, расположенных в первом ряду периодической таблицы.
«Эти результаты противоречат некоторым парадигмам химии, ставя под сомнение традиционные представления об остовных электронах», — говорит Ева Зурек, доктор философии, заслуженный профессор SUNY в Департаменте химии Университета Буффало, которая была одним из соответствующих авторов исследования. «Такая работа может изменить наше понимание того, как элементы изменяются под воздействием сильного давления внутри планет, и даже того, как планеты формируются и развиваются».
Описать поведение электронов непросто. Уравнение Шрёдингера делает это, но практически не решаемо из-за огромного количества взаимодействий между электронами.
Именно здесь на помощь приходят квантово-химические расчёты. Используя математические приближения, были разработаны различные модели, которые делают уравнение решаемым и позволяют выявить электронную структуру сложных материалов.
Зурек и другой соответствующий автор исследования, Стефано Рачиоппи, доктор философии, использовали модели, работающие в Центре вычислительных исследований Университета Буффало, чтобы изучить полузаполненные электроны щелочных металлов. Они сосредоточились на том, что происходит, когда эти металлы связываются с фтором и претерпевают переход B1–B2 под давлением.
«Мы обнаружили, что полузаполненные электроны металлов участвуют в образовании связей, и что эта связь помогает как стимулировать, так и стабилизировать кубическую структуру B2», — говорит Рачиоппи, бывший научный сотрудник лаборатории Зурека, который сейчас является научным сотрудником Университета Кембриджа в Великобритании. «Из этого мы сделали вывод, что для связи полузаполненных электронов требуется всего несколько гигапаскалей давления — намного меньше, чем предполагалось ранее».
Структура B2 — это расположение, которое принимает хлорид цезия при атмосферном давлении, то есть практически без какого-либо давления. Изучая хлорид цезия, Зурек и Рачиоппи подсчитали, что полузаполненные электроны цезия участвуют в образовании связей при атмосферном давлении.
«Это говорит о том, что активация полузаполненных электронов может быть не такой редкой, как мы думали», — говорит Зурек. «Возможно, это происходит прямо на поверхности Земли, без необходимости в экстремальных условиях».
Такие открытия улучшают фундаментальные данные, которые учёные используют для моделирования того, что происходит с элементами глубоко внутри Земли и планет, похожих на Землю.
«Если электроны образуют связи не так, как считалось ранее, это может изменить наше понимание радиуса планеты, тектоники плит и формирования магнитного поля, что влияет на способность планеты поддерживать жизнь», — говорит Зурек.
Исследование предлагает некоторые потенциальные следующие шаги для будущих экспериментов, такие как использование рентгеновской дифракции для более детального описания атомной структуры щелочных металлов и, таким образом, роли их полузаполненных электронов в образовании химических связей.
«Надеемся, что это не просто теоретическое исследование, но и дорожная карта для экспериментаторов, чтобы доказать или опровергнуть наши выводы», — говорит Зурек.
Предоставлено
[University at Buffalo](https://phys.org/partners/university-at-buffalo/)