Химические элементы в таблице Менделеева также имеют семейное сходство, которое может дать предсказательное представление о том, как элементы взаимодействуют, что приведет ученых к еще не предполагаемым применениям.В случае одного элемента, протактиния, химическое сходство, обусловленное конфигурацией его внешних электронов, связывает два семейства элементов: стабильные и хорошо известные переходные металлы и более экзотические актиниды.В новом исследовании Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Университета Лилля во Франции химики изучили множественные сходства протактиния, чтобы более полно понять взаимосвязь между переходными металлами и сложной химией ранних элементов актинидов.
Основная ценность протактиниума не в его коммерческом использовании, а в предоставлении новых фундаментальных знаний о химии элементов. Протактиний — это актинидный элемент, который в периодической таблице находится между торием и ураном. Однако протактиний также очень похож на ниобий и тантал, оба из которых являются переходными металлами, используемыми в ряде химических и металлургических применений.
Когда химики поймут их сходство более подробно, они могут обнаружить новые и еще не открытые применения этих и других связанных элементов.«Протактиний является точкой опоры периодической таблицы», — сказал автор исследования и аргоннский химик Ричард Уилсон. «Вопрос о том, как мы составляем периодическую таблицу, действительно лежит в основе наших размышлений о протактинии».Ответ на вопрос, действует ли протактиний больше как актинид или как переходный металл, заключается во внешних электронных оболочках атома протактиния. Ученые обозначают каждую оболочку цифрой (от 1 до 7) и буквой (s, p, d или f).
В какой оболочке 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, отметил Уилсон, особенно важен, потому что он представляет собой границу, на которой энергетически меняются орбитали d и f. Это определяет, как орбитали заполняются и как они взаимодействуют или связываются со своими соседями.«D» -орбитали в переходных металлах непосредственно участвуют в химическом связывании и могут организовываться в довольно предсказуемые структуры », — сказал Уилсон. «Актиниды не так легко образуют такие же связи».
По словам Уилсона, химики, изучающие актиниды, которые пытались заставить протактиний действовать как его кузены из переходных металлов, достигли ограниченного успеха. «Можем ли мы заставить протактиний вести себя как ниобий и тантал? Ответ экспериментально -« еще нет »», — сказал Уилсон. «Но работа над теорией этого уникального элемента может дать нам новый взгляд на то, как он может находиться прямо на этом важном химическом и энергетическом перекрестке».
Изменения электронных орбиталей и поведения связей, которые происходят в тяжелых элементах, только усиливаются по мере продолжения периодической таблицы. В самых тяжелых элементах, сказал Уилсон, релятивистские эффекты начинают вытеснять наше классическое понимание того, как определенные элементы «должны» себя вести, даже до такой степени, что предполагаемый элемент может напоминать как инертный благородный газ, так и высокоактивный металл одновременно. .«Мы начинаем понимать, что протактиний — это порог, на котором связи в периодической системе начинают меняться», — сказал Уилсон. «Мы углубляемся в то, что действительно движет периодической таблицей».