Элемент неожиданности
Многим из нас часто говорят, что мы похожи на другого члена нашей семьи — например, что у нас нос нашей матери или глаза нашего отца.
Химические элементы в периодической таблице также имеют сходства, которые могут обеспечить прогностическое понимание того, как взаимодействуют элементы, приводя ученых к еще не известным областям применения.
В случае элемента Протактиния, химические сходства, создаваемые конфигурацией его внешних электронов, связывают два семейства элементов: стабильные и хорошо известные переходные металлы и более экзотические актиниды.
В новом исследовании, проведенном Национальной лабораторией Министерства энергетики США (DOE) и Университетом Лилля во Франции, химики исследовали множественные сходства протактиния, чтобы более полно понять взаимосвязь между переходными металлами и сложной химией ранних актинидных элементов.
Основная ценность Протактиния не в коммерческом использовании, а в предоставлении новых фундаментальных знаний о химии элементов. Протактиний является актинидным элементом и расположен между торием и ураном в периодической таблице. Однако протактиний также очень напоминает ниобий и тантал, оба из которых являются переходными металлами, используемыми в ряде химических и металлургических применений. Когда химики более подробно разбираются в их сходствах, они могут обнаружить новые и еще нераскрытые возможности для этих и других связанных элементов.
Ответ на вопрос, действует ли протактиний больше как актинид или как переходный металл, лежит во внешних электронных оболочках атома протактиния. Ученые обозначают каждую оболочку как цифрой (от 1 до 7), так и буквой (s, p, d или f). Оболочка, в которой обитают внешние электроны элемента, с точки зрения числа и буквы, определяет его семейство и помогает определить широкий диапазон его химического и физического поведения.
Разница между переходными металлами и актинидами заключается в том, что внешняя оболочка сначала заполняется доступными электронами. Протактиний особенно важен, потому что он представляет собой границу, на которой происходит орбитальное изменение D и F энергетически.
«Орбитали «D» в переходных металлах участвуют в химической связи очень прямым образом, и они могут быть организованы в довольно предсказуемые структуры», — говорят ученые. «Актиниды не образуют одинаковых видов связей, так легко».
По словам Ричарда Уилсона, химики, изучающие актиниды, которые пытались заставить действовать протактиний как его «собратьев» из переходных металлов, столкнулись с ограниченным успехом. «Можем ли мы заставить протактиний вести себя как ниобий и тантал? Ответ экспериментально «еще нет», — сказал Уилсон. «Но работа над теорией этого уникального элемента могла бы дать нам новый взгляд на то, почему он находится прямо на этом важном химическом и энергетическом перекрестке».
Изменения в электронных орбиталях и поведение склеивания, которые происходят внутри тяжелых элементов, только возрастают по мере того, как периодическая таблица продолжается. В самых тяжелых элементах, сказал Уилсон, релятивистские эффекты начинают заменять наше классическое понимание того, как некоторые элементы «должны» вести себя, вплоть до того момента, когда гипотетический элемент может напоминать как инертный благородный газ, так и высокоактивный металл одновременно.
«Мы начинаем понимать, что протактиний — это порог, на котором связь в периодической системе начинает меняться», — сказал Ричард Уилсон.
Больше информации: Richard E. Wilson et al, Protactinium and the intersection of actinide and transition metal chemistry, Nature Communications (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-02972-z