美发现认识元素周期表的新视角

将金属铅转变成黄金或许永远是个神话,不过与其相类似的“炼丹术”不仅可能,而且还相当廉价。美国宾州大学3名研究人员日前发表文章说,他们发现某些元素原子的组合所显示的电子特征同其他元素的电子特征相仿。研究小组带头人艾伯特·卡斯尔曼教授表示,此发现有望帮助人们获得更廉价的广泛应用于新能源、环境治理和催化剂的材料。

  研究人员同时还向人们展示,在完成的原子合成研究中,他们所验证的那些原子通过简单地查看元素周期表就能预测到。研究小组利用先进的实验和理论对这些崭新和意外的发现进行了量化分析。卡斯尔曼教授认为,他们开创了认识元素周期表的新视角。相关研究成果发表在近期的《美国国家科学院院刊》网站上。

  卡斯尔曼领导的研究小组另外两名成员分别是塞缪尔·培泊尼克和达斯萨·古纳偌特恩。培泊尼克曾是宾州大学的研究生,现为太平洋西北国家实验室的博士后研究员;古纳偌特恩仍是宾州大学的研究生。在研究中,他们利用光电子成像光谱技术,分析研究了一氧化钛和金属镍、一氧化锆和金属钯,以及碳化钨和白金两两之间的相同点。

  卡斯尔曼介绍说:“光电光谱仪可测量将原子或分子中电子从各种能态移出(或去除)所需的能量,与此同时用电子相机将去除电子过程的分步图拍摄下来。如此方法允许我们了解电子的结合能,并观测电子在被从原子中去掉前所处在的电子轨道的自然状况。我们发现,从一氧化钛分子中去除电子所需的能量同从镍原子中去除电子所需的能量相同。同样,一氧化锆和金属钯以及碳化钨和白金的情况也是这样。这3对物质的关键点是它们两两之间具有等电子体结构,也就是说它们两两之间具有相同的(外层)电子排布。”他强调,等电子体在这里主要是指原子或分子的外层电子数目。

  在光电光谱仪拍摄的成像中,研究小组研究的3对物质两两之间代表着电子从原子外层被去除时所发出的释放能量的亮点看起来相似,图表也显示两两物质之间能量峰值相近,同样理论计算的结果表明它们的能级也相匹配。

  卡斯尔曼解释说,一氧化钛、一氧化锆和碳化钨分别是金属镍、金属钯和白金的“超级原子”。所谓“超级原子”是一簇带有元素原子某些特征的原子。卡斯尔曼过去的实验室涉及到超级原子概念的研究,其中一项实验显示,由13个金属铝原子组成的原子簇其表现如同一个碘原子,而在铝原子构成的系统中增加一个电子,其表现则如同一种罕见的气体原子。进一步研究发现,14个铝原子组成的原子簇的活动性与一种碱金属原子的相当。

  卡斯尔曼新的研究目标是将超级原子想法提高到一个新的高度,并为超级原子概念提供合理的量化基础。他表示:“这看上去就像我们能预测哪些元素原子的组合可模仿其他的元素原子。比方说,通过查看元素周期表,你便能推测一氧化钛是镍的一个超级原子。简单方法是钛原子的外层有4个电子,而原子氧的外层有6个电子,在元素周期表中,钛元素向右移动6个元素便是镍。镍原子的外层有10个电子,正好与钛和氧组合的分子的外层电子数相同。我们曾考虑这个发现肯定是一种不可思议的巧合,于是我们试着用其去了解其他的原子,却发现存在着同样的规律。”

  卡斯尔曼表示,他不知这样的规律是否适合于整个元素周期表中的所有元素,或者该规律是否只适合表中部分元素。目前,他和研究小组的成员正忙于对过渡金属元素的分析工作。未来,他们计划研究了解超级原子是否与其对应的元素原子具有类似的化学性质。

  对于新研究的应用,卡斯尔曼说:“白金广泛用于汽车的催化转化器中,但是它十分昂贵。相反,与白金对应的碳化钨却价格低廉。如果汽车催化转化器制造商能够利用碳化钨来取代白金,那么便可以节省大笔的资金。同样,用于某些内燃过程中的金属钯期望能被廉价的一氧化锆所代替。我们的研究从科学进步和实际应用两个角度看,都是十分令人振奋的。”
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