Менделеевские числа что это
Ученые предложили способ картирования химического пространства, раскрыв физический смысл чисел Менделеева
Главная задача предсказательной химии – угадывание свойств веществ по составу входящих в них элементов, и одна из концепций в рамках этой задачи предполагает создание так называемого химического пространства. Вещества помещаются в координатную систему, где по осям отложены химические элементы, причем соседние элементы должны обладать похожими свойствами. Впервые такой способ предложил в 1984 г. британский физик Дэвид Петтифор (David G. Pettifor), приписавший каждому элементу некие «менделеевские числа», смысл и природа которых были неясны. Ученые из Сколковского института науки и технологий раскрыли физический смысл загадочных менделеевских чисел и предложили метод их расчета из фундаментальных свойств атомов, сообщает портал Phys.org. Артем Оганов (Artem Oganov) и Захед Аллахьяри (Zahed Allahyari) показали, что менделеевские числа и построенное с их учетом химическое пространство более эффективны, чем предлагавшиеся до сих пор эмпирические решения. Результаты работы опубликованы в журнале Американского химического общества (American Chemical Society) The Journal of Physical Chemistry С.
Согласно концепции химического пространства Петтифора получаемые в точках пересечения отложенных по осям элементов соединения, так же как и сами соседствующие элементы, должны иметь похожие свойства. И тогда, к примеру, сверхтвердые вещества будут занимать одну область, а сверхмягкие — другую. Имея такое химическое пространство, можно было бы создать алгоритм поиска наилучшего материала из всех возможных соединений всех элементов. Но для этого нужно было разгадать природу менделеевских чисел. «Я лет 15 думал над тем, что же такое эти менделеевские числа и в конце концов понял, что в их основе наверняка лежат фундаментальные характеристики атомов: радиус, электроотрицательность, поляризуемость и валентность», говорит Артем Оганов. Валентность у многих элементов непостоянна, а поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью — поэтому остаются две характеристики — атомный радиус и электроотрицательность. Эти два свойства можно свести к одному простым математическим преобразованием — и мы получаем менделеевские числа. Стало ясно: эти величины есть ни что иное, как наилучшее описание всех свойств атома одним числом», поясняет Оганов. На основании рассчитанных менделеевских чисел авторы работы расположили все элементы в соответствующем порядке по осям координат, получив карты свойств, на которых выделяются области, где расположены наиболее перспективные соединения, например, сверхтвердые и магнетики. Новости мировой науки вы найдете также на странице нашей программы в газете научного сообщества «Поиск».
Ученые нашли физический смысл у «чисел Менделеева» 05 ноября 2020, 22:22
Российские ученые из Сколковского института науки и технологий раскрыли физический смысл так называемых менделеевских чисел химических элементов. Они предложили метод их расчета исходя из фундаментальных свойств атомов. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry С, передает Tengrinews.kz со ссылкой на РИА Новости.
Впервые такой способ предложил в 1984 году британский физик Дэвид Петтифор, приписавший каждому элементу некие «менделеевские числа», физический смысл которых на тот момент был неясен. Однако, понимая числовую закономерность размещения соединений в химическом пространстве, можно было бы создать алгоритм поиска наилучшего материала из всех возможных соединений элементов.
Химики из Сколковского института науки и технологий Артем Оганов и Захед Аллахьяри придумали свой универсальный подход для «картирования» химического пространства, который позволил раскрыть физический смысл загадочных менделеевских чисел. Исследования поддержал своим грантом Российский научный фонд (РНФ).
Фото © Артем Оганов
Авторы считают, что их «умная» карта обладает самой большой предсказательной силой среди известных на сегодня систем такого типа.
Мы выкладываем самые интересные видео в нашем новом Telegram-канале TengriTV. Подписывайтесь и смотрите!
Какие менделеевские числа отвечают за физические свойства элементов
Ученые из разных стран давно пытались придумать метод, с помощью которого можно будет предсказать химические и физические свойства вновь полученных веществ и их соединений. И вот сотрудники Сколковского института вывели формулу, с помощью которой можно вычислить числа Менделеева, характеризующие физические свойства элементов. По этому поводу в авторитетном журнале Journal of Physical Chemistry C была опубликована соответствующая статья.
Что такое менделеевские числа
Впервые термин «числа Менделеева» или «менделеевские числа» придумал английский физик Дэвид Петтифор в далеком 1984 году. Он предложил теорию, в соответствии с которой указанные числа будут использоваться как скалярные безразмерные значения с тем, чтобы объединить элементы системы Менделеева по категориям со схожими физическими свойствами.
Его теория была основана на том, что элементы, имеющие одинаковые или близкие числа Менделеева, образуют схожие бинарные соединения. Это касается молекул, атомов, электронов. На практике это означает, что с помощью менделеевских чисел можно предсказать химические и физические свойства веществ, которых еще не существует в природе. Более того, с помощью этих же чисел можно выполнять синтез новых соединений с заранее заданными физическими и химическими параметрами.
Подтверждение практики Петтифора теорией
В 20 веке Дэвид Петтифор пытался подтвердить свою теорию на практике. Он постоянно ставил различные эксперименты, результатом которых и явилась гипотеза, связанная с числами Менделеева. Однако логичную теорию ему построить так и не удалось. И вот, лишь совсем недавно двум ученым из Сколковского института удалось теоретически вывести формулу, с помощью которой можно определить числа Менделеева для любого химического или физического соединения. Это дает возможность на практике реализовать множество интересных и полезных проектов.
Для того чтобы объяснить значение менделеевских чисел, ученым пришлось создать собственную уникальную систему физических свойств и классификаций бинарных молекул. В основу этой классификации были положены две основополагающие величины — радиус атома молекулы и значение его электроотрицательности. Такое решение было принято опираясь на известный факт о том, что многие химические элементы имеют различную валентность в разных условиях. Таким образом, чтобы определить значение менделеевских чисел, по словам ученых, достаточно лишь знать электроотрицательность и атомный радиус, и с помощью определенных математических преобразований посчитать искомое значение.
Использование менделеевских чисел на практике
Вычисление чисел Менделеева для различных соединений позволяет классифицировать и группировать их по физическим и химическим свойствам. Например, с их помощью можно теоретически определить еще несуществующие на практике вещества, которые будут обладать уникальными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами. То есть, это своего рода конструктор, с помощью которого можно будет производить новые соединения с заранее желаемыми свойствами. На практике такой подход может получить величайшие открытия в самых разных областях науки и техники, начиная от инженерии, а заканчивая медициной, наукой и другими сферами человеческой деятельности.
Также с помощью чисел Менделеева появится возможность подобрать элементы, которые будут не только выделяться тем или иным физическим свойством, но и комбинировать их в себе. В результате можно получить универсальные материалы для использования в разных научных и технических отраслях.
Улучшенная версия таблицы Менделеева
Артем 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 ученых.
Я хорошо помню, как мне пришло в голову решение этой задачи. Мы с семьей садились в самолет. 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 звезды в Галактике, расположены более-менее на плоскости.
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.
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.
Российские химики раскрыли смысл загадочных менделеевских чисел
Ученые Сколтеха раскрыли физический смысл так называемых менделеевских чисел химических элементов и предложили метод их расчета исходя из фундаментальных свойств атомов. Результаты исследования опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry С.
Ученые давно пытались создать систему предсказания свойств веществ по их химическому составу. Одна из них — концепция химического пространства — помещает вещества в систему координат, где по осям в определенном порядке расположены химические элементы. Точки в этом пространстве — это соединения. Расположенные рядом соединения имеют похожие свойства. Так, например, сверхтвердые вещества занимают одну область, а сверхмягкие — другую.
Впервые такой способ предложил в 1984 году британский физик Дэвид Петтифор, приписавший каждому элементу некие «менделеевские числа», физический смысл которых на тот момент был неясен. Однако, понимая числовую закономерность размещения соединений в химическом пространстве, можно было бы создать алгоритм поиска наилучшего материала из всех возможных соединений элементов.
Химики из Сколковского института науки и технологий Артем Оганов и Захед Аллахьяри придумали свой универсальный подход для «картирования» химического пространства, который позволил раскрыть физический смысл загадочных менделеевских чисел. Исследования поддержал своим грантом Российский научный фонд (РНФ).
«Я лет 15 думал над тем, что же такое эти менделеевские числа, — приводятся в пресс-релизе Сколтеха слова руководителя проекта по гранту РНФ Артема Оганова, профессора Сколтеха и МИСиС, действительного члена Европейской академии, Королевского химического общества и Американского физического общества. — В конце концов я понял, что в их основе наверняка лежат фундаментальные характеристики атомов: радиус, электроотрицательность, поляризуемость и валентность. Валентность у многих элементов непостоянна, а поляризуемость очень сильно коррелирует с электроотрицательностью. Поэтому остаются две характеристики: атомный радиус и электроотрицательность. Эти два свойства можно свести к одному простым математическим преобразованием — и мы получаем менделеевские числа. Стало ясно: эти величины есть не что иное, как наилучшее описание всех свойств атома одним числом».
Исследователи создали карту химического пространства, расположив все элементы в соответствии с их менделеевскими числами как по оси абсцисс, так и по оси ординат, а каждой точке в пространстве присвоили значение определенной физической характеристики, например магнитной или механической. В итоге получили карты, на которых хорошо выделяются области, где расположены наиболее перспективные по определенным свойствам соединения — сверхтвердые, магнетики и прочие.
Авторы считают, что их «умная» карта обладает самой большой предсказательной силой среди известных на сегодня систем такого типа.