Класична формула і шкала Полінга виявилися не такі хороші, і хіміки зі Сколтеха знайшли спосіб їх поліпшити.
Якщо ви не хімік, не біолог і ваша професія не пов'язана з хімією як-небудь ще, то, швидше за все, з хімічною наукою перший і останній раз ви зустрічалися десь у шкільні роки. Ні, звичайно, з формулою яких-небудь ліків або «страшною» хімією зі складу продуктів більшість з нас так чи інакше зустрічаються і в звичайному житті, але навряд чи ви застосовуєте на практиці шкільні знання про валентність різних атомів, використовуєте таблицю розчинності солей або отримуєте цінні слідства з ряд електроотрицательности елементів.
З хімією є ще одна проблема. Предмет її вивчення - атоми і молекули - це об'єкти квантового світу, в якому все відбувається зовсім не так, як у звичному світі (згадаймо кота Шредінгера, який, як відомо, ні живий, ні мертвий). Квантові об'єкти підпорядковуються законам квантової механіки. Здавалося б - бери формули квантової механіки і розраховуй все, що хочеться. Однак на практиці такі розрахунки впираються не тільки в жахливу обчислювальну складність, але і в наближений характер цих обчислень. Тому теорія і практика в сучасній хімії йдуть рука об руку: розрахунки допомагають звужувати область пошуків, а експеримент - визначає межі застосовності тієї чи іншої теорії.
Але хіміки століттями чудово жили і без усяких складних теорій, користуючись правилами, отриманими з дослідів і експериментальних спостережень. Навіть у ХХ столітті, коли вже стало відомо будови атома і більш-менш зрозуміла природа хімічних зв'язків в молекулах, прості формули і наближені правила нікуди не поділися - вони досі допомагають розуміти і відчувати хімію, що називається, на пальцях. І одне з таких понять - електроотрицательность.
Це довге слово означає здатність атома хімічного елемента притягувати до себе електрони від інших атомів, з якими він утворює хімічні зв'язки. Візьмемо, наприклад, дві молекули: водню H і фтора F . Коли атом зустрічається з іншим таким же атомом, то логічно, що ніхто з них не зможе перетягнути на себе чужий електрон - «сила електронного тяжіння» кожного з них однакова. Але що, якщо атом водню зустрінеться з атомом фтору? Один з них буде притягувати електрони сильніше, і «електронна ковдра» на ньому буде більше. Хто з них опиниться в цьому перетягуванні електронів успішніше (а це буде фтор), у того і більше електроотрицательность. Це не означає, що атом фтора відніме біля водню його єдиний електрон - просто електрон водню буде більше часу проводити ближче до фтору, ніж поруч зі своїм «господарем», що, правда, зміцнить зв'язок між воднем і фтором. Але щоб не потонути в квантово-хімічному болоті, не будемо далі заглиблюватися особливо розподілу електронної щільності в молекулах.
Електроотрицьовість можна виразити у вигляді числа, і воно виявилося дуже корисним для хіміків. Багато характеристик елементів і їх сполук цілком певним чином залежать від цього одного числа, що дуже зручно на практиці, наприклад, коли потрібно передбачити, як зміняться властивість речовини, якщо замінити в ній один атом на трохи інший. Проблема лише в тому, що розрахувати електроотрицательность можна різними способами, і всі вони дадуть трохи різні і не завжди логічні результати. Найвідоміша шкала електроотрицательностей елементів запропонована нобелівським лауреатом Лайнусом Полінгом. Крім того «свої» електроотрицательности запропонували свого часу Роберт Маллікен, Альберт Оллред і Юджин Рохов, Роберт Сандерсон і Ліланд Аллен.
Зовсім недавно переглянути класичну формулу розрахунку електроотрицательности по Поллінгу досить несподівано вийшло у професора Сколковського інституту науки і технологій Артема Оганова і співробітника Сколтеха Крістіана Тантардіні. Копати під шкільну програму хімії в їхні плани зовсім не входило - наукові інтереси дослідників лежать більше в області комп'ютерних розрахунків кристалічних структур і хімії високих тисків. В одній з досліджень їм знадобилося розрахувати електроотрицательности хімічних елементів під високим тиском, який існує, наприклад, в ядрах планет. Взявши за основу визначення Полінга (для розрахунку він використовував енергії хімічних зв'язків), вчені спочатку розрахували електровідособливості елементів для нормальних умов, але тут їх чекав сюрприз.
"На величезний подив, ми побачили, що ця шкала не узгоджується ні з теоретичними, ні з експериментальними енергіями зв'язків. Більше того, це було відомо в хімічній літературі, але задовільного рішення запропоновано не було. Більш того, якщо спробувати витягти електроотрицательности з енергій іонних зв'язків, отримають електроотрицательности, що порушують очікувані тренди. Я зрозумів, в чому корінь проблем - іонна стабілізація молекули представлялася Полінгом як аддитивна добавка, - розповідає професор Артем Оганов. - Я змінив формулу, замінивши цю аддитивну добавку на мультиплікативну. Полінг додавав, а ми множимо. За допомогою нової формули та експериментальних енергій хімічних зв'язків ми визначили електроотрицательности всіх елементів. У нас вийшла дуже красива шкала, яка працює як при маленьких різницях в електроорицьковості, так і при великих ".
Електроотрицьовість - здатність атомів притягувати електрони - також визначає можливість утворення металевого зв'язку. Елементи з високою електровідособливістю не можуть бути металами. Нова шкала електроотрицательности краще розділяє елементи на метали і неметали, ніж шкала Полінга. Наприклад, у шкалі Полінга низка металів (вольфрам, молібден, платиноїди, золото, свинець) мають більш високі електровідособливості, ніж такі неметали, як бор і водень - що суперечить хімічній інтуїції. У новій шкалі цю проблему виправлено.
Результати розрахунків і нова формула опубліковані в Nature Communications (стаття у вільному доступі).