• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
06.08.2024
Сколтех
191

Предложен новый метод определения атомных зарядов в материалах

4.4

Исследователи из Сколтеха, Уральского федерального университета и Института физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН представили фундаментальное теоретическое описание важных свойств химической связи в материалах, предложив способ определения атомных зарядов и выделения ионной и ковалентной составляющих в энергии химической связи. Выводы ученых служат убедительным обоснованием традиционных представлений о химической связи, основанных на понятии электроотрицательности. Однако в ходе исследования выявлен и противоречащий химической интуиции аномальный случай в виде полупроводникового соединения — фосфида бора.

В кристалле фосфида бора каждый атом имеет связи с четырьмя соседними атомами. В отсутствии инверсии заряда у атомов было бы только по три связи. Авторы исследования предложили принципиально новую теоретическую модель, позволяющую учесть инверсию заряда / © Изображение создано нейросетью Deep Dream Generator

Результаты исследования опубликованы в The Journal of Chemical Physics. С начала XX века ученые пытались объяснить свойства молекул и кристаллов через химическую связь — свойство атомов притягиваться друг к другу за счет перераспределения внешних электронов. Было установлено, что существуют различные типы связей. Например, при ковалентной связи два атома делят между собой общую электронную пару, которая и удерживает их вместе.

Впоследствии оказалось, что атомов может быть не два, а больше. Такая связь между множеством атомов называется металлической. Известен и обратный случай, когда у двух атомов могут быть две и более общих электронных пар. В случае ковалентной полярной связи общая электронная пара смещается в сторону более электроотрицательного атома, и тогда образуются два противоположно заряженных иона, которые удерживаются вместе ионной связью.

«Рассмотрим связь, которая в материале удерживает атомы вместе. От степени ковалентности или ионности этой связи, или другими словами, от зарядов атомов, будет зависеть большинство свойств этого материала», — рассказывает соавтор исследования, руководитель Лаборатории дизайна материалов Сколтеха, заслуженный профессор Артем Оганов. «Проблема в том, что за последнее столетие было предложено так много способов определения атомных зарядов, что до сих пор ученые не пришли к единому мнению о том, как это лучше делать и какие численные значения заряда считать корректными».

Существует ряд подходов, в которых атомный заряд определяют через свойства материала, которые поддаются измерению, например, количество энергии, затрачиваемой на разрыв связи. Другие подходы основаны на использовании математической операции интегрирования распределения электронной плотности по объему атома, но и в этом случае однозначного определения пока не найдено. Существует также несколько подходов, где используются волновые функции атомов — базовые характеристики атомов в задачах квантовой механики. Здесь также существует множество способов анализа волновой функции, измерить которую непосредственно в эксперименте невозможно.

«В нашем методе, главным создателем которого является классик современной физики твердого тела Владимир Анисимов, используется формальное математическое описание так называемых функций Ванье, которые позволяют описать химическую связь в кристалле или молекуле на основе электронных орбиталей, максимально приближенных к атомным», — добавляет профессор Оганов.

«С помощью нашего метода можно неэмпирическим путем определить атомные заряды и выделить ковалентную и ионную составляющие в энергии связи. Полученные результаты хорошо согласуются с химической интуицией. Исключением стал лишь кристалл фосфида бора, у которого атомные заряды оказались инвертированными».

Известно, что аналогичная картина инверсии наблюдается у молекулы угарного газа, состоящей из одного атома кислорода и одного атома углерода. Поскольку кислород обладает более высокой электроотрицательностью, чем углерод, логично предположить, что он будет сильнее притягивать к себе общую электронную пару: у кислорода возникнет частично отрицательный заряд, а у углерода — частично положительный. Однако в реальности происходит обратное. Похожая ситуация возникает и в случае атомов бора и фосфора, образующих кристалл фосфида бора ВР в соотношении один к одному. Несмотря на то что фосфор более электроотрицателен, чем бор, последний в итоге получает частично отрицательный заряд. Почему так происходит?

Этот феномен объясняется тем, что в обоих случаях невыгодный с энергетической точки зрения перенос электронов позволяет получить более прочную ковалентную связь, тем самым с лихвой компенсируя потери в энергии. В молекуле угарного газа из-за инверсии заряда образуется очень прочная тройная связь между кислородом и углеродом. Если бы атомы не пошли на эту «энергетическую жертву», то связь была бы только двойной. Таким же образом в фосфиде бора фосфор отдает один электрон бору, в результате чего у этих двух атомов оказывается по четыре валентных электрона, с помощью которых они создают ковалентные связи с соседями по кристаллической структуре. В противном случае и у бора, и у фосфора было бы всего по три связи на атом, что с энергетической точки зрения менее выгодно.

Любопытно, что инверсия заряда в фосфиде бора была предсказана еще двадцать лет назад в так называемых динамических зарядах Борна, которые с физической точки зрения имеют совершенно иную природу. Предложенный учеными метод универсален, а значит, он поможет лучше понять характер химической связи в самых разных химических соединениях. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 19:20
Березин Александр

Западные колонии финикийцев включали сильнейшую морскую державу древнего Средиземноморья — Карфаген. Его жители использовали финикийский язык и поклонялись соответствующим богам. Теперь генетики заявили, что практически все эти люди — не потомки финикийских колонистов. Происхождение их в связи с этим довольно загадочно.

Вчера, 21:01
Юлия Трепалина

В прошлых исследованиях о скулшутинге в Соединенных Штатах некоторые эксперты называли основной причиной случаев массовой стрельбы в учебных заведениях наличие большого количества легальных «стволов» на руках у людей. Но в подобных работах редко систематически анализировали роль огнестрельного оружия в жизни школьных стрелков. По мнению профессора социологии Энн Нассауер из Эрфуртского университета (Германия), эта деталь роднит большинство совершавших такого рода нападения в США.

Вчера, 14:46
Юлия Трепалина

Многие, наверное, слышали фразу «Между ними возникла „химия“». Поясняя смысл выражения, часто говорят, что любовная химия между мужчиной и женщиной — это нечто сложное и с трудом поддающееся определению. Однако ученые не любят такой неясности, поскольку она мешает исследовать явление. Недавно группа психологов с помощью опроса выяснила основные компоненты взаимного влечения в паре, которое принято называть романтической, или любовной, химией.

20 апреля
Полина Меньшова

Распространено мнение, что, чем чаще пара занимается сексом, тем сильнее каждый из партнеров доволен отношениями. Международная команда исследователей проверила этот тезис.

18 апреля
Игорь Байдов

В 2006 году исследователи из Великобритании объявили, что легендарный антикитерский механизм, древнегреческий «компьютер», мог быть всего лишь игрушкой для демонстрации астрономических явлений. Авторы нового исследования подтвердили это, построив математическую модель на основе данных своих коллег, которая показала, что шестерни устройства заклинивало при запуске. Но несмотря на полученные результаты, ученые пытаются спасти репутацию древнего чуда техники, обвинив предыдущую команду в ряде ошибок.

18 апреля
Любовь

Примерно 41-42 тысячи лет назад на Земле произошел кратковременный сдвиг магнитных полюсов, который мог способствовать вымиранию неандертальцев, но не Homo sapiens — их выживание авторы нового исследования связали с появлением теплой одежды и добычей охры.

8 апреля
Березин Александр

До 13 тысяч лет назад в Северной Америке жил вид, который ученые до недавнего времени считали волком. Компания Colossal Biosciences объявила о возрождении этого вымершего вида, но биологические детали ставят ее заявление под серьезное сомнение.

2 апреля
Березин Александр

Известный американский отраслевой обозреватель Эрик Бергер взял интервью у экипажа космического корабля Boeing, из-за технических проблем которого два астронавта задержались на орбите на девять месяцев вместо одной недели. Детали, которые они озвучили, указывают на серьезные проблемы Starliner, о которых ранее умалчивали. Люди провели немало времени при глубоко нештатной температуре. При слегка другом сценарии миссии экипаж корабля мог погибнуть. Официальные заявления NASA и Boeing сразу после июньского полета к МКС, судя по интервью, были заведомо неправдивыми.

16 апреля
Андрей

Многие знают, как популярны сувениры из окаменелостей — зубы древних акул или полированные панцири аммонитов. Но чем реже встречаются такие артефакты, тем они ценнее, то есть на них можно много заработать. И это проблема для палеонтологов. Американский специалист по тираннозаврам оценил ущерб, который нанесла коммерческая добыча костей T. rex и подсчитал среднюю цену таких образцов. Оказалось, больше половины найденных тирексов находится в частных руках, а значит, для науки они недоступны или ненадежны.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно