Кластер ионов водорода - Hydrogen ion cluster

А кластер молекулярных ионов водорода или же кластерный ион водорода представляет собой положительно заряженный кластер молекул водорода. В молекулярный ион водорода (ЧАС+
2) и трехводородный ион (ЧАС+
3) являются четко определенными молекулярными видами. Однако водород также образует однозарядные кластеры (ЧАС+
п) с п до 120.

Эксперименты

Кластеры ионов водорода могут образовываться в жидком гелии или с меньшим размером кластера в чистом водороде. ЧАС+
6 встречается гораздо чаще, чем кластеры с более высокими четными номерами.[1] ЧАС+
6 стабильно в твердый водород. Положительный заряд уравновешивается сольватированным электроном. Он образуется при попадании ионизирующего излучения на твердый водород, и так образуется в радиоактивном твердом тритий. В природном водороде, обработанном излучением, положительный заряд переносится на молекулы HD, а не на ЧАС
2, при этом самая стабильная компоновка - HD (HD)+HD.[2] ЧАС+
6 может мигрировать через твердый водород, связывая молекулу водорода на одном конце и теряя ее на другом: ЧАС
2 + ЧАС+
6 → ЧАС+
6 + ЧАС
2. Эта миграция прекращается после добавления молекулы HD, что приводит к снижению уровня энергии.[3] HD или D
2 добавлен в предпочтение перед ЧАС
2.[4]

Клампитт и Гоуланд обнаружили кластеры с нечетным числом атомов водорода. ЧАС+
3+2п[5] а позже показал, что ЧАС+
15 был относительно стабильным. ЧАС+
3 сформировали ядро ​​этого кластера с шестью ЧАС
2 окружающие его молекулы.[6]Хирока исследовал устойчивость кластеров с нечетными номерами в газе вплоть до ЧАС+
21.[7]Бэ определил, что ЧАС+
15 был особенно стабильным среди кластеров с нечетными номерами.[8]

Киршнер обнаружил атомные кластеры с четными номерами в газе при более низких концентрациях, чем кластеры с нечетными номерами. ЧАС+
6 было в двадцать раз меньше, чем ЧАС+
5. ЧАС+
4, ЧАС+
8 и ЧАС+
10 были обнаружены в меньших количествах, чем ЧАС+
6.[9]Куросаки и Такаянаги показали, что ЧАС+
6 намного стабильнее других четных кластеров и показал антипризматическая симметрия порядка 4 (D
2d молекулярная симметрия ).[10] Эта структурированная через турникет молекула оказалась более энергетически стабильной, чем кольцо из пяти атомов водорода вокруг протона.[11]

Отрицательных кластеров водорода не обнаружено. ЧАС−
3 теоретически нестабильно, но D−
3 теоретически ограничивается 0,003 эВ.[8]

Разлагаться

ЧАС+
6 в состоянии свободного газа распадается, испуская атомы H и ЧАС
2 молекулы. Разные энергии распада происходят с уровнями со средним значением 0,038 эВ и максимумом при 0,14 эВ.[9]

Формирование

Кластеры молекулярных ионов водорода могут образовываться под действием различных видов ионизирующего излучения. Эту задачу могут выполнять электроны высокой энергии, способные ионизировать материал. Когда водород, растворенный в жидком гелии, облучается электронами, их энергия должна быть достаточной для ионизации гелия и образования значительных кластеров водорода. Облучение твердого водорода гамма-лучами или рентгеновскими лучами также дает ЧАС+
6.[12]

Кластеры положительных ионов также образуются при расширении сжатого водорода через сопло.[13]

Теория Киршнера об образовании четных кластеров была нейтральной. ЧАС
3 молекулы вступили в реакцию с ЧАС+
3 ион (или другие нечетные кластеры), чтобы сделать ЧАС+
6.[9]

Характеристики

Решение ЧАС+
6 в твердом водороде мало влиял на его спектр.[10]

Использовать

SRI International изучила твердое ионное водородное топливо. Они считали, что твердое вещество, содержащее ЧАС+
3 и ЧАС− ионы могут быть произведены. Если бы его можно было сделать, он имел бы более высокую энергию, чем другие виды ракетного топлива, с концентрацией ионов всего 2%. Однако они не могли содержать H− стабильно, но определено, что и другие отрицательные ионы тоже подойдут.[8] Этот теоретический импульс превышает импульс ракет на твердом и жидком топливе.[8] SRI разработала кластерную ионную пушку, которая может создавать кластеры положительных и отрицательных ионов при токе 500pA.[8]

Ядерный синтез с использованием ионных кластеров может затронуть гораздо больше атомов, чем отдельные ионы за один удар. Эта концепция называется кластерным ионным синтезом (CIF). Лития дейтерид (LiD) - потенциальный стартовый материал для генерации ионов.[8]

Рекомендации

  1. ^ Саттлер, Клаус Д. (2010). «Ионизация электронным ударом кластеров водорода, внедренных в гелий». Кластеры и фуллерены. Справочник по нанофизике. CRC Press. С. 20–15–20–17. ISBN  1-4200-7554-3.
  2. ^ Чинг Йе Линь; Эндрю Т. Гилберт; Марк А. Уолтер (6 мая 2011 г.). «Межзвездный твердый водород». Астрофизический журнал. 736 (2): 91. arXiv:1105.1861. Bibcode:2011ApJ ... 736 ... 91L. Дои:10.1088 / 0004-637X / 736/2/91.
  3. ^ Такаюки Кумада; Юта Симидзу; Такахиро Ушида; Дзюн Кумагай (октябрь – декабрь 2008 г.). "Атом H, e−, и ЧАС+
    6     ионы, образующиеся в облученных твердых атомах водорода: исследование электронного спинового резонанса ". Радиационная физика и химия. Эльзевир. 77 (10–12): 1318–1322. Bibcode:2008RaPC ... 77,1318K. Дои:10.1016 / j.radphyschem.2008.05.026.
  4. ^ Дж. Кумагаи; Х. Инагаки; С. Кария; Т. Ушида; Ю. Симидзу; Т. Кумада (14 июля 2007 г.). "Исследование электронного спинового резонанса на ЧАС+
    6    , ЧАС
    5    D+
    , ЧАС
    4    D+
    2    , и ЧАС
    2    D+
    4     в твердом параводороде ». J Chem Phys. 127 (2): 024505. Bibcode:2007ЖЧФ.127б4505К. Дои:10.1063/1.2748046. PMID  17640135.
  5. ^ Р. Клампитт, Л. Гоуленд; Гоуленд, Л. (август 1969 г.). «Кластеризация холодного водородного газа на протонах». Природа. 223 (5208): 815–816. Bibcode:1969Натура.223..815С. Дои:10.1038 / 223815a0.
  6. ^ Р. Клампитт; Д. К. Джеффрис (11 апреля 1970 г.). «Ионные кластеры». Природа. 226 (5241): 141–142. Bibcode:1970Натура.226..141С. Дои:10.1038 / 226141a0. PMID  16057136.
  7. ^ Хирока, К. (1987). "Определение устойчивости ЧАС+
    3    (ЧАС
    2    )
    п     с п = 1−9 по измерениям газофазных ионных равновесий ЧАС+
    3    (ЧАС
    2    )
    п−1    +ЧАС
    2     = ЧАС+
    3    (ЧАС
    2    )
    п    ". Журнал химической физики. Американский институт физики. 87 (7): 4048–4055. Bibcode:1987ЖЧФ..87.4048Н. Дои:10.1063/1.452909. ISSN  0021-9606.
  8. ^ а б c d е ж Bae, Young K .; Филип К. Косби (сентябрь 1990 г.). «Ионное твердое водородное топливо: производство и свойства ионов водорода и энергетических нейтральных кластеров». Лаборатория космонавтики. Получено 17 июн 2011.
  9. ^ а б c Киршнер, Николас Дж .; Майкл Т. Бауэрс (1987). «Экспериментальное исследование образования и реакционной способности кластеров ионного водорода: первое наблюдение и характеристика четных кластеров. ЧАС+
    4    , ЧАС+
    6    , ЧАС+
    8    , и ЧАС+
    10    ". Журнал химической физики. 86 (3): 1301–1310. Bibcode:1987ЖЧФ..86.1301К. Дои:10.1063/1.452219.
  10. ^ а б Куросаки, Юдзуру; Тошиюки. Такаянаги (21 августа 1998 г.). "Прямой путь изомеризации для ЧАС+
    6     кластер. Неэмпирическое молекулярно-орбитальное исследование ". Письма по химической физике. Elsevier Science B.V. 293 (1–2): 59–64. Bibcode:1998CPL ... 293 ... 59 тыс.. Дои:10.1016 / S0009-2614 (98) 00721-0.
  11. ^ Цян Хао; Эндрю С. Симмонетт; Юкио Ямагути; Фанг Де-Цай; Генри Ф. Шеффер (23 октября 2009 г.). «Структуры и энергетика ЧАС+
    6     Кластеры »    . Журнал физической химии A. Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. 113 (48): 13608–13620. Bibcode:2009JPCA..11313608H. Дои:10.1021 / jp905928u. ISSN  1089-5639. PMID  19852448.
  12. ^ Такаюки Кумада; Хирото Тачикава; Тошиюки Такаянаги (2005). "ЧАС+
    6     в облученном твердом параводороде и динамика его распада: повторное исследование квартетных линий электронного парамагнитного резонанса, приписываемых ЧАС−
    2    ". Физическая химия Химическая физика. 7 (5): 776–784. Bibcode:2005PCCP .... 7..776K. Дои:10.1039 / b415179h. ISSN  1463-9076. PMID  19791361.
  13. ^ Ekinci, Y; Э. Л. Кнут; Дж. П. Тоеннис (5 октября 2006 г.). "Массовое и времяпролетное исследование образования кластеров при расширении свободной струи нормального D
    2    ". Журнал химической физики. 125 (13): 133409–133420. Bibcode:2006ЖЧФ.125м3409Э. Дои:10.1063/1.2217942. PMID  17029483.