Новости химической науки > Как образуются кластеры кислорода при повышенном давлении?

Кислород, третий по распространенности в космосе и необходимый для жизни на Земле элемент, при приложении значительного давления превращается в твердое вещество красного цвета, обладающее металлическими свойствами и даже сверхпроводимостью.

Механизм этой трансформации длительное время занимал умы исследователей. В особенности им была любопытна причина образования молекулярного кластера (O₂)₄.

Cхематическая диаграмма связывающих и разрыхляющих орбиталей в кластере (O₂)₄. (Рисунок из: Proc. Nat. Acad. Sci., 2008, ASAP article)

Исследователи из Геофизической Лаборатории Института Карнеги обнаружили, что при увеличении давления до 10 ГПа орбитали молекул кислорода меняют свою ориентацию, что приводит к связыванию четырех молекул кислорода в один кластер (O₂)₄.

Руководитель проекта Ю Менг (Yue Meng) отмечает, что межмолекулярное взаимодействие молекул дикислорода обусловлено наличием двух неспаренных электронов на двух вырожденных верхних занятых молекулярных орбиталях. По ее словам, увеличение давления приводит к сближению молекул и спариванию электронов, находящихся на граничных орбиталях соседних молекул.

Для изучения плотной твердой фазы кислорода исследователи разработали методику неэластичного рассеивания рентгеновских лучей при повышенном давлении (high-pressure inelastic X-ray scattering technique). В разработанной методике используется синхротронный рентгеновский луч, с помощью которого изучаются изменения в электронном строении образца по мере того, как алмазная подложка сжимает образец до давления в тысячи атмосфер. Экспериментальные результаты, полученные в группе Менг, были соотнесены с теоретическими расчетами, выполненными другими исследователями. Результаты исследований демонстрируют также и то, что между соседними кластерами (O₂)₄ также наблюдается тенденция к связыванию.

Образование молекулярных кластеров за счет участия разрыхляющих орбиталей уже достаточно давно хорошо известно для органических соединений. Делокализация электронов на орбиталях кластеров позволяет использовать для решения ряда практических задач. Менг отмечает, что факт того, что кластернизация кислорода при повышенном давлении протекает по аналогичному механизму, может быть использован для применения высоких давлений в получении новых типов материалов.

Источник: Proc. Nat. Acad. Sci., 2008, ASAP article

метки статьи: #неорганическая химия, #физическая химия