南開大學物理科學學院副教授董校課題組和國外科研人員合作，探索了元素化學性質在壓力下的變化規律 。相關工作近日發表于美國《國家科學院院刊》 。
在壓力下，元素性質和電子行為會發生明顯改變 。1934年，美國化學家羅伯特·密立根創建了描述元素化學性質的數學模型，其中存在兩個重要參數：電負性和化學硬度 。數十年來，人們一直認為電負性和化學硬度是元素的固有性質，不隨外界條件的改變而改變 。
科研團隊在前人工作的基礎上，利用第一性原理計算結合組內開發的“帶電氦矩陣”方法，揭示了氫到鋦之前的96種元素在500GPa以內的電負性和化學硬度隨壓力的變化趨勢 。研究表明，壓力會顯著改變元素的電負性和化學硬度 。與前人理解的不同，壓力會改變元素化學勢和電荷間的函數關系，從而改變元素的化學性質 。同時，隨著壓力增加，各元素間的電負性和化學硬度排序會出現顯著改變，進而導致了各元素間化學性質的重新排列 。如在常壓下，還原性最強的元素為銫，但因壓力導致的軌道重組變成了鈉 。
元素性質變化具體表現為：壓力會普遍降低各個元素的化學硬度，從而導致高壓下整個元素周期表向金屬性偏移，使得更多的元素表現金屬特性，如金屬化現象、聚合現象等，而常壓下的典型非金屬（如碳、氮、氧等）會出現性質移動；在100GPa以上，壓力可以模糊長周期間的界限；電子軌道發生重排，高角動量電子因其具有更少的節點而在高壓下焓值顯著降低，進而改變了原有的軌道交錯規律，具體表現為p或d軌道能量降低，電子更傾向于占據p或d軌道，從而進一步引起其性質改變 。
研究人員表示，這些計算結果可以解釋大量已發表的理論預測和實驗現象，并預測高壓下的化合物形成規律，為設計高壓下新型化合物構筑了理論基礎 。（陳彬 喬仁銘）
【元素性質|研究揭示壓力下元素周期律和化學性質變化趨勢】相關論文信息：
https://doi.org/10.1073/pnas.2117416119
《中國科學報》 (2022-03-15 第1版 要聞)

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