Улучшенная версия таблицы Менделеева
Не так уж часто удаётся написать заметку о том, что не просто войдёт в школьные учебники будущего, а станет одной из базовых картинок-иллюстраций. Химики из Сколковского института науки и технологий Артём Оганов и Захед Алахъяри придумали и рассчитали, как расположить химические элементы в порядке постепенного изменения их химических свойств. Такая последовательность удобнее, чем таблица Менделеева, для предсказания твёрдости, стабильности, намагниченности и других свойств элементов и их соединений. О том, как было сделано и что значит это отрытые, «Коту» рассказал профессор Сколтеха Артём Оганов.
Артём Оганов — кристаллограф-теоретик, создатель ряда новых материалов, а главное, методов, которые позволяют открывать новые материалы. Решил считавшуюся нерешаемой задачу предсказания кристаллической структуры вещества на основе его химического состава. Создал программу USPEX, способную предсказывать устойчивые химические соединения по набору исходных элементов. Один из самых цитируемых в мире учёных.
Я хорошо помню, как мне пришло в голову решение этой задачи. Мы с семьёй садились в самолёт. У меня четверо детей, и все они расположились у меня на голове и прочих частях тела и к тому же продолжали непрерывно двигаться. Опытные родители знают, что сопротивляться этому бессмысленно, а беспокоиться неразумно. Поэтому мой мозг перестал метаться, анализируя внешние сигналы, и застыл, сфокусировавшись в одной точке. Точка эта оказалась на спинке впередистоящего кресла. Там-то и начал проступать основной график будущей работы. Я вдруг увидел, что элементы таблицы Менделеева не размазаны равномерно в пространстве своих свойств, а, как звёзды в Галактике, расположены более-менее на плоскости.
Эта проблема волновала меня последние 15 лет. В 1984 году британский физик Дэвид Петтифор опубликовал работу, в которой ввёл понятие менделеевских чисел, — с их помощью он сгруппировал элементы в порядке изменения их химических свойств. В таблице Менделеева свойства элементов меняются скачками. Так, после самого химически активного неметалла фтора идёт инертный неон, а сразу за ним — активнейший металл натрий. Можно ли найти вариант, при котором рядом бы стояли похожие по свойствам элементы?
Петтифор предложил решение — выстроил элементы в некоторой последовательности, приписав им некие числа Менделеева. Но как приписал, не объяснил. И тем более не объяснил, какой у них физический смысл. Эти числа не расчёт, а произвол, хотя и основанный на наблюдениях за свойствами бинарных соединений — веществ, состоящих из двух разных атомов. Скажем, если NaCl и KCl похожи, то и натрий с калием должны стоять рядом. Всё это время учёные модифицировали и улучшали менделеевские числа, но что это такое, так никто и не объяснил.
Поляризуемость — способность атома или молекулы становиться электрически полярными во внешнем электромагнитном поле. Поляризуемость показывает, насколько легко может возникнуть заряженная частица (ион) или новая химическая связь.
Электроотрицательность — способность атома оттягивать электроны других атомов в химических соединениях. Самая высокая степень электроотрицательности у галогенов и сильных окислителей (F, O, N, Cl), низкая — у активных металлов (Li, Na, K).
У химических элементов есть разные характеристики, которые влияют на их свойства. Прежде всего размер атома (его радиус), валентность, поляризуемость, электроотрицательность. Но валентность — параметр непостоянный, у разных элементов могут быть разные валентности, а мы неоднократно открывали химические соединения, которые с точки зрения привычных представлений о валентности не могли бы существовать. Но существуют. Поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью.
Получается, что для определения фундаментальных свойств атомов можно использовать только атомный радиус и электроотрицательность. И если по оси Х — радиус, а по оси Y — электроотрицательность, мы получаем плоскость, на которой сильно вытянутым облаком располагаются элементы. Внутри этого облака, воспользовавшись несложным математическим приёмом, можно провести линию, вдоль которой элементы встанут в порядке максимально плавного изменения свойств.
Как вычисляются числа менделеева
Универсальная последовательность элементов определяется их проекцией на линию, обозначенную синим цветом.
Так мы открыли физический и химический смысл менделеевских чисел: это наилучшее представление всех химических свойств атома одним числом. Но мы предложили не только объяснение, но и улучшенную версию чисел Менделеева, в которой нет места субъективности — только расчеты на основе фундаментальных характеристик атомов. Мы назвали это «Универсальной последовательностью элементов», по-английски Universal Sequence Of Elements, сокращённо USE. И действительно, наша последовательность удобна в применении: она предсказывает свойства химических соединений лучше, чем петтифоровские менделеевские числа и их позднейшие модификации.
Если расположить элементы на осях, то на плоскости будут бинарные соединения — молекулы и кристаллы, состоящие из двух типов атомов. Мы обнаружили, что на этом поле — его можно назвать химическим пространством — возникают области соединений с близкими свойствами, например твёрдостью кристаллов, магнетизмом, энергией связи. Известно, например, что алмаз, состоящий только из углерода, — самый твёрдый из кристаллов. А как искать другие твёрдые вещества? По соседству с алмазом в его химическом пространстве.
Улучшенные менделеевские числа помогут находить новые соединения с полезными свойствами и смогут прояснить некоторые вопросы, связанные с привычной таблицей Менделеева. Например, уже сейчас можно ставить точку в споре, где должен находиться водород: над литием или над фтором. Согласно менделеевским числам, водород ближе к галогенам, чем к щелочным металлам.
Универсальная последовательность элементов (USE)
Ссылка: Zahed Allahyari and Artem R. Oganov, Nonempirical Definition of the Mendeleev Numbers: Organizing the Chemical Space: J. Phys. Chem. C 2020, 124, 43, 23867–23878.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №3 (44) за декабрь 2020 г.
Источник
Российские ученые намерены открыть новые элементы таблицы Менделеева
МОСКВА, 9 фев — РИА Новости. Специалисты Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Московская область) могут в 2022 году приступить к работам по синтезу новых сверхтяжелых элементов таблицы Менделеева, заявил директор ОИЯИ академик РАН Григорий Трубников.
«Главная наша задача (в 2021 году) – наработать максимальную статистику с тем, чтобы понимать, где искать новые элементы – 119-й, 120-й, 121-й, и какие у них будут свойства», — добавил он.
Трубников пояснил, что на химические свойства сверхтяжелых элементов сильно влияют так называемые релятивистские эффекты, являющиеся следствием теории относительности. «Релятивистские эффекты сказываются таким образом, что по периодическому закону это должен быть газ, а он ведет себя как металл. И очень интересно, что же за границей оганесона – 118-го элемента, самого тяжелого элемента на данный момент», — добавил директор ОИЯИ.
Все элементы тяжелее урана получают в ядерных реакторах или с помощью ускорителей при столкновении ядер других элементов. А сверхтяжелые элементы ученые синтезируют только на ускорителях путем бомбардировки тяжелыми ионами мишеней из трансплутониевых элементов. При слиянии ядер мишени и «снаряда» на короткое время возникает ядро сверхтяжелого элемента.
К настоящему времени ученые из разных стран получили ряд сверхтяжелых химических элементов, заканчивающийся 118-м элементом. Наибольший вклад в достижение этих результатов внесли российские специалисты из ОИЯИ под руководством выдающегося мирового ученого академика Юрия Оганесяна. В его честь 118-й элемент назван «оганесон».
Ранее Оганесян не исключил, что в будущем, по мере синтеза новых сверхтяжелых элементов и изучения их свойств, таблица Менделеева может изменить свой нынешний привычный вид.
Сейчас в крупнейших ядерно-физических центрах мира фактически начаты работы по синтезу 119-го, 120-го и 121-го элементов, который назвали «большой гонкой». В Дубне намерены первыми получить новые элементы. В ОИЯИ работает уникальная по мировым меркам научная установка — так называемая «Фабрика сверхтяжелых элементов». Ее центральной частью стал ускоритель заряженных частиц — циклотрон DC-280. Благодаря этой новой технике эффективность экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов многократно повышается. В декабре 2020 года на этой «фабрике» начат цикл экспериментов по синтезу сверхтяжелых элементов.
«Думаю, что. за полгода-год мы бы наработали статистику по сверхтяжелым элементам, которую все человечество нарабатывало последние 20-30 лет во всех лабораториях мира – от Японии до Америки. Ну разве это не достижение? Это абсолютно точно укрепляет Россию не просто в первых рядах, а на первом месте в этой физике», — отметил Трубников.
Источник
Улучшенная версия таблицы менделеева
В данной теме будут отображаться версии таблицы Менделеева и описание вносимых правок.
+ все 118 элементов имеют названия согласно ИЮПАК
+ исправлены типичные ошибки и опечатки, которые встречаются в таблицах, распространяемых МИНОБР
+ учтены все наиболее употребляемые названия элементов: русский, английский, латинский (вшит в символ элемента)
+ La и Ac – d-элементы, а не как обычно рисуют f-элементами
+ усовершенствованное наглядное обозначение радиусов атомов (численные значения не приведены, так как ими никто не пользуется)
+ добавлено графическое обозначение радиоактивности элементов (обозначены те элементы, которые не имеют стабильных изотопов). Если атом радиоактивен, значит его ядро не стабильно. Ядро находится в центре атома. Поэтому значок радиоактивности – красный кружок в центре обозначения радиуса атома
+ добавлены самые устойчивые степени окисления элементов
+ добавлен QR-код с ссылкой на видео инструкцию «как пользоваться таблицей и где что в ней находится»
+ цвета подобраны так, чтобы при печати в ч/б можно было отличить разные оттенки цветов
+ в видео теперь можно использовать таблицу в высоком разрешении, так как нарисована в векторе
Внимание: использование любой версии данной таблицы в коммерческих целях запрещено без письменного разрешения автора (Александра Иванова).
Данное графическое изображение таблицы Менделеева и любые её версии не являются общественным достоянием.
Запрещается вносить какие-либо изменения в данное графическое изображение. В том числе удаление логотипа «Химия – Просто».
Использовать любую версию таблицы можно только в личных целях.
Источник
Искусство в науке: российские химики создали в стекле нановерсию таблицы Менделеева
Российские химики записали в кварцевом стекле микроскопическое цветное изображение таблицы Менделеева. Для получения миниатюры размером 3,6 х 2,4 мм они использовали лазеры сверхкоротких импульсов и нанокристаллические решётки. Авторы работы рассказали RT, что использованная технология может применяться также для создания носителей данных с неограниченным сроком службы.
Исследователи Российского химико-технологического университета имени Д.И. Менделеева (РХТУ) использовали лазерные нанотехнологии для создания в кварцевом стекле изображения миниатюрной таблицы химических элементов. Об этом сообщается в специальном выпуске журнала Frontiers in Chemistry, посвящённом периодической системе великого русского учёного.
Размер полученного изображения — 3,6 х 2,4 мм, а каждой ячейки с химическим элементом — 200 х 200 микрон. Для создания миниатюры применялся метод фемтосекундной лазерной записи в кварцевом стекле, которое выдерживает температуру до 900 °С. Таким образом российские исследователи решили привлечь внимание мировой общественности к фигуре великого российского учёного-энциклопедиста Дмитрия Менделеева, создателя одноимённой периодической системы.
«Это самая стабильная таблица Менделеева в миниатюре. Она может пережить пожар и радиационное излучение. В этой миниатюре мы использовали различные нанорешётки, чтобы получить разные цвета», — сообщил в беседе с RT один из авторов работы, ассистент кафедры стекла и ситаллов РХТУ Георгий Шахгильдян.
При этом исследователи отмечают, что в обычном оптическом микроскопе цвета видны не будут. В прибор необходимо поместить поляризаторы, подобные тем, что используются в фотоаппаратуре.
По словам Георгия Шахгильдяна, в западном мире система Дмитрия Менделеева известна как таблица периодических элементов, без указания авторства. Поэтому у публикации менделеевцев в рейтинговом химическом журнале было несколько целей: восстановление исторической справедливости и популяризация российской науки, а также попытка представить необычную работу российских химиков на стыке науки и искусства.
«То, что мы сделали, сейчас называется art in science — искусство в науке. Мы рады, что работа Дмитрия Ивановича Менделеева популяризируется в журнале высокого уровня», — отметил Георгий Шахгильдян.
Использованный учёными метод формирования нанорешёток в стекле с помощью лазеров подходит не только для аналоговой, но и для цифровой записи данных. По словам российских химиков, РХТУ первым в мире запустил проект по созданию технологии оптической памяти на основе стекла. В дальнейшем развитие этой технологии приведёт к разработке носителей данных с неограниченным сроком службы, уверены исследователи.
Источник