研究揭示压力下元素周期律和化学性质变化趋势

　　南开大学物理科学学院副教授董校课题组和国外科研人员合作，探索了元素化学性质在压力下的变化规律。相关工作近日发表于美国《国家科学院院刊》。

　　在压力下，元素性质和电子行为会发生明显改变。1934年，美国化学家罗伯特·密立根创建了描述元素化学性质的数学模型，其中存在两个重要参数：电负性和化学硬度。数十年来，人们一直认为电负性和化学硬度是元素的固有性质，不随外界条件的改变而改变。

　　科研团队在前人工作的基础上，利用第一性原理计算结合组内开发的“带电氦矩阵”方法，揭示了氢到锔之前的96种元素在500GPa以内的电负性和化学硬度随压力的变化趋势。研究表明，压力会显著改变元素的电负性和化学硬度。与前人理解的不同，压力会改变元素化学势和电荷间的函数关系，从而改变元素的化学性质。同时，随着压力增加，各元素间的电负性和化学硬度排序会出现显著改变，进而导致了各元素间化学性质的重新排列。如在常压下，还原性最强的元素为铯，但因压力导致的轨道重组变成了钠。

　　元素性质变化具体表现为：压力会普遍降低各个元素的化学硬度，从而导致高压下整个元素周期表向金属性偏移，使得更多的元素表现金属特性，如金属化现象、聚合现象等，而常压下的典型非金属（如碳、氮、氧等）会出现性质移动；在100GPa以上，压力可以模糊长周期间的界限；电子轨道发生重排，高角动量电子因其具有更少的节点而在高压下焓值显著降低，进而改变了原有的轨道交错规律，具体表现为p或d轨道能量降低，电子更倾向于占据p或d轨道，从而进一步引起其性质改变。

　　研究人员表示，这些计算结果可以解释大量已发表的理论预测和实验现象，并预测高压下的化合物形成规律，为设计高压下新型化合物构筑了理论基础。 （陈彬 乔仁铭）

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1073/pnas.2117416119

　　《中国科学报》 (2022-03-15 第1版 要闻)