Химические связи углерода с висмутом нарушают учебные правила — виновата теория относительности
Команда химиков Брауновского университета (США) получила прямые экспериментальные свидетельства того, что теория относительности Эйнштейна меняет природу химических связей в тяжёлых элементах. Работа опубликована в журнале Science и посвящена молекуле из углерода и висмута (CBi⁻).
Что такое σ- и π-связи и почему они важны
В школьном курсе химии объясняют, что атомы образуют два основных типа связей: σ-связь (по оси между атомами) и π-связь (перпендикулярно этой оси). Например, тройная связь в ионе цианида CN⁻ — это одна σ- и две π-связи. Это фундаментальное разграничение используется для объяснения реакционной способности молекул, их формы и свойств.
Такая классификация прекрасно работает для лёгких элементов — углерода, азота, кислорода. Но физики давно подозревали, что у очень тяжёлых атомов картина должна меняться.
При чём здесь теория относительности
Висмут (Bi) — один из самых тяжёлых элементов с устойчивыми изотопами: он соседствует со свинцом в таблице Менделеева. Электроны в ядре столь тяжёлого атома движутся с околосветовыми скоростями — и здесь вступает в действие специальная теория относительности Эйнштейна. По её законам масса таких быстрых электронов увеличивается, что изменяет их орбиты и влияет на то, как они взаимодействуют с другими атомами.
Это явление называется спин-орбитальным взаимодействием: спин электрона (его магнитный момент) перестаёт быть независимым от его орбиты. В результате электроны ведут себя иначе, и граница между σ- и π-связями «размывается».
Что нашли учёные
Команда профессора Лай-Шэна Вана (Lai-Sheng Wang) из Брауновского университета синтезировала молекулы из висмута и углерода и охладила их до почти абсолютного нуля. Затем исследователи проанализировали их с помощью фотоэлектронной спектроскопии.
Результаты оказались показательными. Вместо привычной картины «одна σ- плюс две π-связи» в CBi⁻ наблюдалась структура с одной π- и двумя гибридными σ-π-связями.
«Идея о том, что относительность важна для тяжёлых элементов, существует с 1970-х годов, — сказал Ван. — Но мы показали прямые спектроскопические свидетельства того, что то, чему учат в школе о химических связях, неверно для тяжёлых элементов». — «Граница между σ- и π-связью теперь как бы размазана. Три связи есть, но строго σ- или строго π- уже нет».
Читайте также по теме: необычных химических связях и новых эффектах.
Открытие важно для понимания химии тяжёлых элементов, применяемых в медицине (препараты висмута используются в гастроэнтерологии), электронике и ядерных технологиях.
