Эйнштейн вмешался в химию. Сиборгий повёл себя не как его соседи по таблице
Сиборгий нарушил привычную закономерность своей группы в таблице Менделеева. В лабораторном эксперименте исследователи впервые измерили энергию, необходимую для разрыва одной из его химических связей, и обнаружили неожиданный результат: у сверхтяжёлого элемента связь оказалась слабее, чем у стоящего выше в таблице вольфрама. Расчёты без релятивистских поправок предсказывали обратное.
Сиборгий занимает 106-ю клетку таблицы Менделеева и входит в одну группу с хромом, молибденом и вольфрамом. Исследователи изучали гексакарбонил сиборгия Sg(CO)₆, где центральный атом окружают шесть молекул угарного газа. У более лёгких элементов этой группы связь металла с CO постепенно крепнет от хрома к вольфраму, поэтому химики могли ожидать продолжения той же тенденции.
Сиборгий повёл себя иначе. Для отделения первой молекулы CO от Sg(CO)₆ потребовалось 188 ± 9 кДж/моль. У вольфрамового аналога показатель достигает 192 ± 8 кДж/моль. Разница невелика, но направление изменения оказалось принципиальным: после последовательного роста прочность связи на сиборгии пошла вниз.
Причину физики ищут в релятивистских эффектах, которые особенно сильно проявляются у сверхтяжёлых элементов. Ядро сиборгия содержит 106 протонов и очень сильно притягивает электроны. При столь больших зарядах обычного нерелятивистского описания уже недостаточно: релятивистская квантовая механика меняет расчёт энергии и формы электронных орбиталей, а вместе с ними меняется и химическая связь.
В случае сиборгия особенно важны 6d-орбитали. Релятивистские поправки повышают их энергию, поэтому обмен электронной плотностью между атомом сиборгия и молекулами CO ослабевает. Химическая связь в итоге получается менее прочной, чем у вольфрама. Современные расчёты заранее предсказывали именно такое изменение, тогда как нерелятивистская модель продолжала давать рост от молибдена через вольфрам к сиборгию.
Проверить расчёты оказалось непросто, поскольку сиборгий нельзя положить в пробирку и изучать обычными химическими методами. Исследователи работали буквально с отдельными атомами короткоживущего сиборгия-259. Атомы попадали в смесь гелия и угарного газа, где часть успевала образовать летучий Sg(CO)₆, после чего продукты разделяли и регистрировали по радиоактивному распаду.
За весь эксперимент приборы зарегистрировали 75 событий с сиборгием-259, причём только три удалось отнести к летучему гексакарбонилу. Для сравнения учёные тем же способом изучили короткоживущие изотопы вольфрама. Соотношение полученных соединений позволило вычислить, насколько легко Sg(CO)₆ теряет первую молекулу CO.
Гексакарбонил сиборгия химики получили ещё в 2014 году, но определить энергию разрыва связи тогда не удалось из-за слишком малого числа событий. Новые измерения впервые дали численное значение и одновременно проверили одно из самых необычных следствий физики тяжёлых атомов. На дальнем краю таблицы Менделеева положение элемента уже не всегда позволяет просто продолжить закономерности его более лёгких соседей: релятивистские эффекты начинают заметно менять саму химию.