Trihidrogeno katijonas buvo gautas iš organinių molekulių, naudojant lazerį. • Arkadijus Kuramshinas. • Mokslo naujienos apie "elementus". • Chemija, astrofizika.

Trihidrogeno katijonas buvo gautas iš organinių molekulių, naudojant lazerį

Pav. 1. Trihidrogeninis katijonas H3+ dalyvauja cheminiuose procesuose, vykstančiuose žvaigždėse, paukščių takų ir kitų galaktikų tarpterminėje erdvėje ir Saulės sistemos milžiniškų planetų jonosferoje. Takeshi Oka pristatymas, 2005. H3+ Galaktikos centre; Astronomijos ir chemijos vienijimas

Mičigano universiteto mokslininkai pasiūlė trihidrogeno katijono formavimo mechanizmus (H3+) iš organinių junginių, veikiamų didelės galios lazeriu. Ši reakcija vyksta dviem etapais (pirmiausia susidaro vandenilio molekulė H2kuris antrojoje stadijoje atskiria protoną nuo įkrauto CHOH fragmento2+) ir užima šimtus femtosekundžių, gali paaiškinti retų procesų chemiją, atsirandančią kartu su tuo pačiu plyšimu arba kelių cheminių jungčių formavimu iš karto, būdingų cheminėms transformacijoms dujų dulkių netikslėse tarpžvaigždinėse Visatos erdvėse.

Trihidrogeninis katijonas (Trihidrogenas katijonas) H3+ Tai laikoma paprasčiausias ir labiausiai paplitęs triatominis jonas visatoje. Pirmą kartą 1911 m. Jį atrado elektrono atradėjas Josephas Thomsonas, eksperimentuodamas su anodo spinduliais (Anodo spinduliai). Naudodamas ankstyvąjį masės spektrometro analogą, jis pastebėjo didelį molekulinių jonų kiekį dujų išmetimuose, kai masės ir energijos santykis yra 3.Iš dviejų galimų kandidatų – C.4+ arba H3+ – Thomsonas sustojo ant antrojo ir buvo teisus.

Tarpžvaigždinė erdvė, jonas H3+ susidariusi per bimolekuliarinę H reakciją2+ + H2 → H3+ + H (žr. T. R. Hogness, E. G. Lunn, 1925. Teigiamo spinduliuotės spindulių analizės jonizacija) ir jonų H2+, savo ruožtu, susidaro vandenilio molekulės jonizacijai veikiant kosminės spinduliuotės: \ (\ mathrm (H) _2 \ xrightarrow [] (h \ nu) \ mathrm (H) _2 ^ ++ \ bar (e) \). Turint tiek teigiamą įkrovą, tiek vieną nesuderintą elektronų radikalų katijoną H2+ yra labai nestabili dalelė ir kaip stiprus Lewiso rūgštis (dalelė, kuri patiria elektronų tankio trūkumą ir siekia kompensuoti šį trūkumą cheminės reakcijos partnerio elektronų), sąveikauja su neutralios vandenilio molekulės H elektronų pora2.

Šios reakcijos metu gautas trihidrogeno katijonas yra H3+ yra simetriška ir gali būti laikoma lygiakraščiu trikampiu, kurio viršūnėse yra vandenilio atomų. Katijone H3+ realizuojama trijų centrų dviejųelektroninė jungtis – du šios katijos elektronai vienodai sąveikauja su visais trijų vandenilio branduoliais, o trijų vandenilio katijono energija yra 104 kcal / mol (B.J. McCall ir kt., 2004). Diskompaticinė rekombinacija sukimosi šaltojo H3+), kuris leidžia mums kalbėti apie triatominį katijoną kaip santykinai stabilią dalelę.

Remiantis IR spektroskopija, buvo įmanoma nustatyti, kad H3+ esančių tarp žvaigždės terpėje ir žvaigždžių bei planetų atmosferose (žr. T. Oka, 1980.). Infraraudonojo spektro H3+): jis buvo rastas tiek mūsų galaktikos centrinėje molekulinėje zonoje, tiek Saulės sistemos dujų gigantų jonosferose. Šis katijonas kartais vadinamas "molekuliu, kuris sukūrė visatą". Pirma, tai yra katijonas H formos3+ Vandenilis – labiausiai paplitęs elementas – daugiausia yra visatoje. Antra, šio jono vaidmuo astrocheminiuose procesuose, ypač atsiradęs, kai mūsų visata buvo jauni, yra daug svarbesnė nei bet kuri kita molekulė ar molekulinė jona, kurią mes žinome: be trihidrogeninio katijono negalima atsirasti nei žvaigždžių, nei cheminių elementų Kadangi ne termobranduolinės žvaigždės reaktorių, cheminių elementų, sunkesnių už liitus, formavimas yra neįmanomas.

Skaičiavimai rodo, kad pirmosios kartos kartos žvaigždės turi būti greitai įšilę iki pernelyg aukštų temperatūrų, žlugdant dar iki galutinio susidarymo stadijos. Siekiant išvengti tokio perkaitimo ir pirmosios kartos žvaigždžių formavimo galimybės, reikėjo mechanizmo,veiksmingai atsikratyti energijos perteklius, kuris, savo ruožtu, turėjo būti molekulė, kuri gali atsikratyti perteklinio energijos radiacijos forma. Be ankstyvojoje visatoje, cheminė sudėtis, kuri buvo pristatyta tik trys cheminiai elementai (vandenilis, helio ir ličio), junginių pasirinkimas buvo gana mažas, o "vožtuvas", kuris išgelbėjo jaunų žvaigždžių visatos nuo priešlaikinio sunaikinimo vaidmuo galėtų atlikti tik trivodoroda katijonas O3+ (Žr. Michele Pavanello et al., 2012 m Tikslieji matavimai ir skaičiavimai perėjimo energiją išcentrinio Šaltojo Triatomic vandenilio jonų iki Midvisible spektrinis diapazonas). Tai, kad vienodas paskirstymas elektronų porų tarp simetriškai išdėstytais trijų vandenilio atomų yra stebimas tik išorės poveikių nebuvimo. Spinduliuotės absorbcija, susidūrimas su kitu molekulės ar kitą energijos tiekimo sukelia molekulėje trivodoroda katijonas išstumto elektronus, dėl kurių katijonų praranda simetriją ir eina sužadinimo energijos narėje, iš kurios jis gali grįžti į normalų simetriškai, spinduliuoja fotonus ir "aušinamas". Perėjimas tarp simetriškai stabilus ir gali spinduliuoti energijos būsenos šias molekules asimetriniai žvaigždutės leisti pirmosios kartos veiksmingai išsklaidyti energijos perteklių ir temperatūrą pamažu suformuotą ir auga.

Dėl to, kad susidariusios žvaigždės vaidino sintezėje cheminių elementų, sunkesnių nei ličio, ypač – anglies, deguonies ir azoto, šiuolaikinėje visatoje, be minėtos bimolekuliarinės reakcijos, susidarančios katijono H3+ tik iš dalelių, turinčių vandenilio, yra ir kitų trihidrogeno formavimosi mechanizmų. Saulės sistemos milžiniškų planetų, daug turinčių organinių junginių, ir tarpžvaigždinių dujų dulkių debesų, kurių sudėtyje yra anglies, vandenilio ir deguonies, jonų H3+ gali susidaryti iš organinių junginių. Tačiau iki šiol, kaip tai padaryti, nebuvo žinoma.

Tuo tarpu tokio H formos mechanizmo tyrimas3+ galėjo išsiaiškinti cheminės evoliucijos detales tarpžvaigždinėje terpėje ir viršutiniame planetos atmosferos sluoksnyje. Manoma, kad, veikiant anglies, azoto ir deguonies atomų, esančių išleidžiamoje terpėje, trihidrogenas H3+ ji taip pat kyla iš stabilios simetrinės į susijaudinusią asimetrinę būklę ir prasideda cheminių procesų grandinės, dėl kurių susidaro vandens molekulės, amoniakas, vandenilio cianidas, metanolis ir kiti alkoholiai, formaldehidas ir angliavandeniliai.Gautos organinės medžiagos, kurios yra sunaikintos, gali tapti katijono šaltiniu H3+ir, sąveikaujant su susijaudintu trihidrogenu, dalyvauja tolesniuose procesuose, kurie apsunkina organinių medžiagų struktūrą – paprasčiausių aminorūgščių ir cukrų formavimąsi – gyvenimo elementus.

Trūkstantį katijoną formuojančių organinių molekulių savybių tyrimo sunkumai yra susiję su tuo, kad šios reakcijos yra unikalios – prieš formuojant naujas chemines jungtis reikalingas nuoseklus dviejų ar daugiau jungčių pertraukimas, o "klasikinės" cheminės reakcijos arba būdinga seka susilpninti vieną jungtį – formavimas vienos obligacijos (žr. alifatinio nukleofilinio pakaitalo reakcijas), arba senų lūžių ir naujų cheminių jungčių susidarymo vyksta vienu metu ir kartu.

Mičigano universiteto chemijos ir fizikos garbės profesoriaus Marcos Dantus (Marcos Dantus) mokslininkai, naudojantys lazerius, galėjo atkartoti reakcijas, kurios gali atsirasti paukščių gripo centre, Jupiterio, Saturno ir Urano jonosferose ir, galbūt, Žemės jonosferoje – trihidrogeno katijono susidarymas iš organinių molekulių, tokių kaip metilo alkoholis (CH3OH), acetonas (CH3C (O) CH3) arba etilenglikolio (C2H6O2) Eksperimentiniam H tyrinėjimui3+ naudojama didelio galingumo (2,5 ÷ 6,0) × 1014 Vatai / cm2 safyro lazeris, kuris padėjo inicijuoti reakciją, ir tirti reakcijos produktų struktūrą ir toliau vykstant H3+ pradinės reakcijos stadijos, taip pat laiko skrydžio masės analizatorius, kuris buvo naudojamas patvirtinti jonų sudėtį, susidarančią dėl lazerio spinduliuotės poveikio organinėms molekulėms.

Pav. 2 Reakcijos mišinio masinis spektras, gautas apšvitinant etilenglikolį su tiesiškai poliarizuotu lazeriu (žr. Polarizacija lazerio spinduliuotės), kurio specifinė galia 2,5 × 1014 Vatai / cm2. Pateikti tik tie jonai, kurie yra svarbūs atliekant minėtą tyrimą – tai yra masės / krūvio santykis (m/z), kurio vertė neviršija 7. Signalas su santykiu m/z = 3 susiję su trihidrogeno H signalu3+ (dalelės masė yra lygi trims atominės masės vienetams, mokestis lygus vienetui). Tyrimo autoriai neatsižvelgia į C jono susidarymą3+nes nėra signalo apie šį ir kitus spektrus, kurie turi atitikti trigubą jonizuotą anglies atomą (m/z = 4 – C3+ anglies atomo masė yra 12 atominių masės vienetų, mokestis yra trys).Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslinės ataskaitos

Naudojant masių spektrometriją nustatyta, kad dėl didelės galios lazerio spinduliuotės organinių junginių apšvitinimo vienas iš jų transformacijos produktų yra trihidrogeninis katijonas H3+, tyrėjai nustatė tokį pastebėtos reakcijos parametrą kaip vakuuminį siurblio / zondavimo procesą (laikas tarp lazerio impulso taikymo ir H katijono nustatymo3+) Kartu naudojant kvantinę chemiją buvo atliktas įvairių organinių junginių sunaikinimo variantų modeliavimas su trijų vandenilio katijonų išmetimu, skaičiuojami įvairių formavimo būdų spektriniai parametrai, skaičiuojamas H formavimosi greitis3+ ir numatė, kad vamzdynų / jutimo proceso uždelsimas yra vertas. Norint padaryti išvadas apie tai, kaip tiriamos reakcijos tęsiasi, eksperimentiniu būdu gautų rezultatų koreliuoja su duomenimis, gaunamais taikant kvantinius cheminius skaičiavimus (šis požiūris buvo lyginamas su eksperimento rezultatais ir jo modeliu, kuris buvo pavadintas " taikoma teorinė chemija ", gana dažnai naudojama šiuolaikinėje chemijoje).

Empiriškai gautų duomenų palyginimas su kvantinio cheminio modeliavimo rezultatais leido mokslininkams nustatyti, kad H3+ organinių medžiagų, tai reiškia naują, aprašytą tik 2011 m., cheminių reakcijų tipą – "klajojančias reakcijas" (žr. J. Bowman, 2011 m. "Tarptinklinio ryšio reakcijos: trečiasis būdas"). Tokio pobūdžio reakcijose su pirminės molekulės sunaikinimu susidaro naujos cheminės jungtys ne tarp atomų, esančių santykinai arti vienas kito (kaip būdinga klasikinėms cheminėms reakcijoms), bet tarp atomų, esančių pakankamu atstumu vienas nuo kito.

"Dantus" grupėje atliktų tyrimų rezultatai yra pirmasis klaidingos reakcijos pavyzdys, apimantis molekulinį vandenilį H2, kuris yra ypač įdomus dėl to, kad klajojančios reakcijos yra naujas chemijos skyrius, kurio rašymas ką tik prasidėjo. Savo ruožtu šis, dar nepasirašytas skyrius padės išsiaiškinti kai kuriuos taškus su tais procesais, kurie klasikinės teorinės chemijos požiūriu yra mažai tikėtini arba neturėtų tęsti, kaip jie iš tikrųjų daro.

Pav. 3 Du jonų H formavimosi būdai3+ dikacijos su bendra formulė CH3Rh2+. (a) Įgyvendinant pirmąjį mechanizmą, jonas H3+ suformuotas iš trijų vandenilio atomų, sujungtų su vienu anglies atomu. (b) Pagal šį būdą du vandenilio atomai, pritvirtinti prie vieno anglies atomo, duoda H3+derinant su kaimyninės grupės R vandenilio atomu. Abiejose sistemose vandenilio atomai dalyvauja formuojant H3+paryškintas raudona. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnio Mokslinės ataskaitos

Viena iš priežasčių, kodėl mes mažai žinome apie klajojančias reakcijas apskritai (ir apie H irono susidarymą3+ ypač), – tai, kad šios reakcijos vyksta labai greitai, o tai apsunkina jų studijas. Taigi, tiriamam švietimo procesui H3+, apimantis trijų senųjų cheminių ryšių nutraukimą ir trijų naujų formavimąsi, tęsiasi 100-240 femtosekundžių. Per tą laiką skraidančioji kulka net neturėjo laiko keliauti atstumu, lygiu atomo skersmeniui, ir metanolio molekulė, kuri buvo eksperimento metu organinio junginio modelis, sugebėjo vienu metu dalyvauti keliose transformacijose. Pirmasis metanolis CH3OH, veikiant lazerio spinduliuotei, prarado du elektronus ir pavertė dvigubai užpildytu katijonu CH3OH2+. Tada dvi šios katijono katijono C-H jungtys buvo sugadintos, todėl susidarė banginis vandenilis ir CHOH katijonas.2+, iš kurio paskutiniame trihidrogeno katijono formavimo etape banda vandenilį ir išprotėjo protoną. Pasak mokslininkų, labiausiai stebina dalykas, susijęs su tirtu mechanizmu, yra nuoseklus dviejų cheminių jungčių laužymas vienu metu ir susidraugojantis molekulinis vandenilis H2 sužadinant organinę molekulę. Antrasis etapas yra H jonų susidarymas3+ jonizuotos organinės molekulės ir klajojančio divodorumo H sąveikoje2 – yra loginis ir numatomas jono formavimo procesas, labiausiai paplitęs visatoje.

Informacija apie reakcijos mechanizmą ir apie tai, kaip greitai susidaro H3+, daro mus vienu žingsniu arčiau supratimo apie procesus, vykstančius kosminėje erdvėje, kuri yra "gyvenimo molekulių" formavimo esmė. Mokslininkų planai nustatyti, kaip organinės molekulės dydis turės įtakos klaidingos reakcijos tikimybei ir greičiui, todėl susidaro jonų H3+.

Šaltinis: Nagitha Ekanayake, Muath Nairat, Balram Kaderiya, Peyman Feizollah, Bethany Jochim, Travis Severt, Ben Berry, Kanaka Raju Pandiri, Kevin D.Carnes, Shashank Pathak, Daniel Rolles, Artem Rudenko, Itzik Ben-Itzhak, Christopher A. Mancuso, B. Scott Fales, James E. Jackson, Benjamin G. Levine, Marcos Dantus. Trihidrogeno katijono mechanizmai ir laiko išsprendimo dinamika (H3+) lazerinių laukų formavimas // Mokslinės ataskaitos. 2017. V. 7 (1). Gaminio numeris: 4703. DOI: 10.1038 / s41598-017-04666-w.

Arkadijus Kuramshinas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: