Klastr vodíkových iontů - Hydrogen ion cluster

A klastr vodíkových molekulárních iontů nebo iont vodíkového klastru je kladně nabitý shluk molekul vodíku. The vodíkový molekulární ion (H+
2) a trihydrogen ion (H+
3) jsou dobře definované molekulární druhy. Vodík však také tvoří jednotlivě nabité klastry (H+
n) s n až 120.

Experimenty

Klastry vodíkových iontů mohou být vytvořeny v kapalném heliu nebo s menší velikostí klastru v čistém vodíku. H+
6 je mnohem častější než klastry s vyššími sudými čísly.[1] H+
6 je stabilní v pevný vodík. Kladný náboj je vyvážen solvatovaným elektronem. Vzniká při dopadu ionizujícího záření pevný vodík, a tak se tvoří v radioaktivní pevné látce tritium. V přírodním vodíku ošetřeném zářením se pozitivní náboj přednostně přenáší na molekuly HD H
2, přičemž nejstabilnějším uspořádáním je HD (HD)+HD.[2] H+
6 může migrovat přes pevný vodík spojením molekuly vodíku na jednom konci a ztrátou na druhém konci: H
2 + H+
6 → H+
6 + H
2. Tato migrace se zastaví, jakmile se přidá HD molekula, což má za následek nižší hladinu energie.[3] HD nebo D
2 je přidán přednostně před H
2.[4]

Clampitt a Gowland našli shluky s lichým počtem atomů vodíku H+
3+2n[5] a později to ukázal H+
15 byla relativně stabilní. H+
3 tvořil jádro tohoto klastru se šesti H
2 molekuly obklopující to.[6]Hiroka studoval stabilitu lichých shluků v plynu až do H+
21.[7]Bae to určil H+
15 byl zvláště stabilní mezi lichými shluky.[8]

Kirchner objevil sudé atomové klastry v plynu v nižších koncentracích než liché atomové klastry. H+
6 byl dvacetkrát méně hojný než H+
5. H+
4, H+
8 a H+
10 byly zjištěny v menších množstvích než H+
6.[9]Kurosaki a Takayanagi to ukázali H+
6 je mnohem stabilnější než jiné sudé klastry a ukázalo se antiprismatická symetrie objednávky 4 (D
2d molekulární symetrie ).[10] Bylo zjištěno, že tato turniketově strukturovaná molekula je energeticky stabilnější než kruh pěti atomů vodíku kolem protonu.[11]

Nebylo zjištěno, že by existovaly shluky negativního vodíku. H−
3 je teoreticky nestabilní, ale D−
3 teoreticky je vázán na 0,003 eV.[8]

Rozklad

H+
6 ve stavu volného plynu se rozpadá vydáváním atomů H a H
2 molekuly. Různé energie rozpadu se vyskytují s úrovněmi v průměru při 0,038 eV a vrcholí při 0,14 eV.[9]

Formace

Klastry vodíkových molekulárních iontů mohou být tvořeny různými druhy ionizujícího záření. Tuto úlohu mohou provádět vysokoenergetické elektrony schopné ionizovat materiál. Když je vodík rozpuštěný v kapalném héliu ozářen elektrony, musí být jeho energie dostatečná k ionizaci hélia k produkci významných shluků vodíku. Vyrábí se také ozařování pevného vodíku gama paprsky nebo rentgenovými paprsky H+
6.[12]

Pozitivní iontové klastry se tvoří také při expanzi stlačeného vodíku tryskou.[13]

Kirchnerova teorie vzniku sudých klastrů byla neutrální H
3 molekuly reagovaly s H+
3 iont (nebo jiné liché klastry) H+
6.[9]

Vlastnosti

Řešení H+
6 v pevném vodíku měl malý vliv na jeho spektrum.[10]

Použití

Společnost SRI International studovala tuhé iontové vodíkové palivo. Věřili, že pevná látka obsahuje H+
3 a H− ionty by mohly být vyrobeny. Pokud by se to dalo vyrobit, mělo by vyšší energii než jiná raketová paliva pouze s 2% koncentrací iontů. Nemohli však obsahovat H− stabilním způsobem, ale rozhodl se, že to udělají i další záporné ionty.[8] Tento teoretický impuls převyšuje rakety na tuhá a kapalná paliva.[8] Společnost SRI vyvinula klastrovou iontovou zbraň, která dokázala vytvářet shluky pozitivních a negativních iontů při proudu 500pA.[8]

Jaderná fúze pomocí iontových shluků může ovlivnit mnohem více atomů než jednotlivé ionty v jednom zásahu. Tento koncept se nazývá shluk iontových iontů (CIF). Lithium deuterid (LiD) je potenciální startovací materiál pro generování iontů.[8]

Reference

  1. ^ Sattler, Klaus D. (2010). "Elektronová nárazová ionizace vodíkových klastrů zabudovaných do hélia". Klastry a fullereny. Příručka nanofyziky. CRC Press. str. 20–15–20–17. ISBN  1-4200-7554-3.
  2. ^ Ching Yeh Lin; Andrew T.B. Gilbert; Mark A. Walter (6. května 2011). "Mezihvězdný pevný vodík". Astrofyzikální deník. 736 (2): 91. arXiv:1105.1861. Bibcode:2011ApJ ... 736 ... 91L. doi:10.1088 / 0004-637X / 736/2/91.
  3. ^ Takayuki Kumada; Yuta Shimizu; Takahiro Ushida; Jun Kumagai (říjen – prosinec 2008). „H atom, např−, a H+
    6     ionty produkované v ozářených pevných vodících: Studie elektronové spinové rezonance “. Fyzika záření a chemie. Elsevier. 77 (10–12): 1318–1322. Bibcode:2008RaPC ... 77,1318K. doi:10.1016 / j.radphyschem.2008.05.026.
  4. ^ J. Kumagai; H. Inagaki; S. Kariya; T. Ushida; Y. Shimizu; T. Kumada (14. července 2007). "Studie elektronové spinové rezonance na H+
    6    , H
    5    D+
    , H
    4    D+
    2    , a H
    2    D+
    4     v pevném parahydrogenu ". J Chem Phys. 127 (2): 024505. Bibcode:2007JChPh.127b4505K. doi:10.1063/1.2748046. PMID  17640135.
  5. ^ R. Clampitt, L. Gowland; Gowland, L. (srpen 1969). „Shlukování studeného plynného vodíku na protony“. Příroda. 223 (5208): 815–816. Bibcode:1969Natur.223..815C. doi:10.1038 / 223815a0.
  6. ^ R. Clampitt; D. K. Jefferies (11. dubna 1970). „Ionové klastry“. Příroda. 226 (5241): 141–142. Bibcode:1970Natur.226..141C. doi:10.1038 / 226141a0. PMID  16057136.
  7. ^ Hiroka, K. (1987). "Stanovení stabilit H+
    3    (H
    2    )
    n     s n = 1–9 z měření rovnováhy iontů v plynné fázi H+
    3    (H
    2    )
    n−1    +H
    2     = H+
    3    (H
    2    )
    n    ". The Journal of Chemical Physics. Americký fyzikální institut. 87 (7): 4048–4055. Bibcode:1987JChPh..87.4048H. doi:10.1063/1.452909. ISSN  0021-9606.
  8. ^ A b C d E F Bae, Young K .; Phillip C. Cosby (září 1990). „Iontové pevné vodíkové palivo: výroba a vlastnosti vodíkových iontů a energetických neutrálních klastrů“. Laboratoř astronautiky. Citováno 17. června 2011.
  9. ^ A b C Kirchner, Nicholas J .; Michael T. Bowers (1987). „Experimentální studie vzniku a reaktivity iontových vodíkových klastrů: První pozorování a charakterizace sudých klastrů H+
    4    , H+
    6    , H+
    8    , a H+
    10    ". Journal of Chemical Physics. 86 (3): 1301–1310. Bibcode:1987JChPh..86,1301K. doi:10.1063/1.452219.
  10. ^ A b Kurosaki, Yuzuru; Toshiyuki. Takayanagi (21. srpna 1998). "Přímá cesta izomerizace pro H+
    6     shluk. Ab initio molekulární orbitální studie ". Dopisy o chemické fyzice. Elsevier Science B.V. 293 (1–2): 59–64. Bibcode:1998CPL ... 293 ... 59K. doi:10.1016 / S0009-2614 (98) 00721-0.
  11. ^ Qiang Hao; Andrew C. Simmonett; Yukio Yamaguchi; Fang De-Cai; Henry F. Schaeffer (23. října 2009). "Struktury a energetika H+
    6     Klastry "    . The Journal of Physical Chemistry A. Washington DC: Americká chemická společnost. 113 (48): 13608–13620. Bibcode:2009JPCA..11313608H. doi:10.1021 / jp905928u. ISSN  1089-5639. PMID  19852448.
  12. ^ Takayuki Kumada; Hiroto Tachikawa; Toshiyuki Takayanagi (2005). "H+
    6     v ozářeném pevném para-vodíku a jeho dynamice rozpadu: opětovné zkoumání kvartetových elektronových paramagnetických rezonančních linií přiřazených H−
    2    ". Fyzikální chemie Chemická fyzika. 7 (5): 776–784. Bibcode:2005PCCP .... 7..776K. doi:10.1039 / b415179h. ISSN  1463-9076. PMID  19791361.
  13. ^ Ekinci, Y; E. L. Knuth; J. P. Toennies (5. října 2006). „Hromadná a časová letová spektroskopická studie tvorby klastrů ve volných proudových expanzích normálu D
    2    ". Journal of Chemical Physics. 125 (13): 133409–133420. Bibcode:2006JChPh.125m3409E. doi:10.1063/1.2217942. PMID  17029483.