Kation trihydrogen diperolehi daripada molekul organik menggunakan laser • Arkady Kuramshin • Berita Sains mengenai "Elemen" • Kimia, Astrofizik

Kation trihydrogen diperolehi daripada molekul organik menggunakan laser

Rajah. 1. Kation trihydrogen H3+ mengambil bahagian dalam proses kimia di bintang dan di ruang bintang Bima Sakti dan galaksi lain, dan di ionosfera planet-planet gergasi sistem solar. Gambar dari persembahan Takeshi Oka, 2005. H3+ di Pusat Galactic; Menggabungkan Astronomi dan Kimia

Penyelidik di University of Michigan mencadangkan mekanisme untuk pembentukan kation trihidrogen (H3+) dari sebatian organik yang terdedah kepada laser kuasa tinggi. Reaksi ini berlangsung dalam dua peringkat (pada awalnya molekul hidrogen H terbentuk2yang, pada peringkat kedua, memisahkan proton dari serpihan CHOH yang dikenakan2+) dan menduduki beratus-ratus femtoseconds, dapat menjelaskan kimia proses yang jarang berlaku yang berlaku dengan pecah serentak atau pembentukan beberapa ikatan kimia serentak, khas transformasi kimia dalam nebulas gas-nebula di ruang bintang alam semesta.

Kation trihidrogen (kation Trihydrogen) H3+ Ia dianggap sebagai ion triatom yang paling sederhana dan paling biasa di Universe. Ia pertama kali ditemui pada tahun 1911 oleh penemu elektron, Joseph Thomson, semasa eksperimen dengan sinar anoda (Anode ray). Menggunakan analog awal spektrometri massa, dia melihat sebilangan besar ion molekul dalam pelepasan gas dengan nisbah mass-to-charge 3.Daripada dua calon yang mungkin – C4+ atau H3+ – Thomson berhenti pada kedua dan betul.

Ruang interstellar, ion H3+ terbentuk semasa reaksi bimolecular H2+ + H2 → H3+ + H (lihat T. R. Hogness, E. G. Lunn, 1925. Pengionan analisis ray radiasi positif), dan ion H2+, pada gilirannya, dibentuk oleh pengionan molekul hidrogen di bawah tindakan sinar kosmik: \ (\ mathrm {H} _2 \ xrightarrow [] {h \ nu} \ mathrm {H} _2 ^ ++ \ bar % \). Mengandungi kedua-dua caj positif dan satu kation radikal elektron tidak berpasangan H2+ adalah zarah yang sangat tidak stabil, dan, sebagai asid Lewis yang kuat (zarah yang mengalami kekurangan ketumpatan elektron dan mencari untuk mengimbangi kekurangan ini oleh elektron rakan kongsi tindak balas kimia), berinteraksi dengan sepasang elektron molekul hidrogen neutral2.

Kation trihidrogen akibat tindak balas ini ialah H3+ adalah simetri, dan ia boleh dianggap sebagai segitiga sama sisi, di mana terdapat atom hidrogen. Dalam kation H3+ tiga ikatan elektron dua pusat direalisasikan – dua elektron kation ini sama-sama berinteraksi dengan ketiga-tiga nukleus hidrogen, tenaga ikatan ini dalam kation trihidrogen ialah 104 kkal / mol (B. J. McCall et al., 2004). Penggabungan dissociative3+), yang membolehkan kita membicarakan kation triatomik sebagai zarah yang agak stabil.

Dengan bantuan spektroskopi IR, adalah mungkin untuk menegaskan bahawa H3+ terletak di dalam medium interstellar dan di atmosfera bintang dan planet (lihat T. Oka, 1980. Pemerhatian spektrum inframerah H3+): didapati di zon molekular pusat Galaxy kami, dan di ionosfera gergasi gas sistem solar. Kation ini kadang-kadang dipanggil "molekul yang menciptakan alam semesta." Pertama, ia adalah dalam bentuk k. H3+ Hidrogen – unsur yang paling biasa – kebanyakannya terdapat dalam Alam Semesta. Kedua, peranan ion ini dalam proses astrochemical, terutamanya apabila alam Semesta kita masih muda, adalah lebih penting daripada sebarang molekul atau ion molekul lain yang kita ketahui: tanpa kation trihidrogen, tidak ada bintang mahupun elemen kimia boleh muncul Seperti di luar reaktor bintang termonuklir, pembentukan unsur-unsur kimia yang lebih berat daripada litium adalah mustahil.

Pengiraan menunjukkan bahawa generasi bintang pertama sepatutnya dipanaskan dengan suhu yang terlalu tinggi, runtuh bahkan sebelum peringkat pembentukan akhir. Untuk mengelakkan terlalu panas dan kemungkinan pembentukan bintang generasi pertama, satu mekanisme diperlukan,yang membolehkan untuk secara berkesan menghilangkan tenaga yang berlebihan, yang seterusnya, mempunyai molekul yang dapat menghilangkan tenaga berlebihan dalam bentuk radiasi. Dalam alam semesta muda, komposisi kimia yang hanya diwakili oleh tiga unsur kimia (hidrogen, helium dan litium), pilihan sebatiannya agak kecil, dan peranan "injap" yang menyelamatkan bintang-bintang Alam semesta muda dari pemusnahan pramatang dapat dimainkan oleh kation trihidrogen3+ (lihat Michele Pavanello et al., 2012. Tenaga Triatomik Sejuk Sehingga Kisaran Spectral Midou). Hakikatnya, pengedaran seragam pasangan elektron antara tiga atom hidrogen simetri terletak hanya dengan ketiadaan pengaruh luaran. Penyerapan radiasi, perlanggaran dengan molekul lain, atau kemasukan tenaga yang berlainan menyebabkan elektron dalam molekul kation trihydrogen beralih, kerana kation kehilangan simetrinya dan menjadi keadaan tenaga yang teruja, dari mana ia boleh kembali ke keadaan simetri biasa, memancarkan foton dan "penyejukan." Peralihan antara keadaan simetri dan memancarkan tenaga asimetri yang stabil dari molekul-molekul ini membenarkan bintang-generasi awal untuk menghilangkan tenaga dan suhu yang berlebihan secara berkesan, perlahan-lahan membentuk dan berkembang.

Oleh kerana bintang-bintang yang terbentuk memainkan peranan dalam sintesis unsur-unsur kimia yang lebih berat daripada litium, khususnya – karbon, oksigen dan nitrogen, di alam semesta moden, sebagai tambahan kepada reaksi bimolekular atas pembentukan k3+ hanya dari zarah yang mengandungi hidrogen, terdapat mekanisme lain untuk pembentukan trihidrogen. Di dalam ionosfera planet-planet gergasi Sistem Tatau yang kaya dengan sebatian organik dan dalam awan debu gas interstellar mengandungi molekul yang mengandungi karbon, hidrogen dan oksigen, ion H3+ boleh dibentuk daripada sebatian organik. Walau bagaimanapun, sehingga kini, bagaimana ini boleh dilakukan tidak diketahui.

Sementara itu, kajian tentang mekanisme sedemikian untuk pembentukan H3+ boleh memberi penjelasan mengenai butiran evolusi kimia dalam medium interstellar dan lapisan atas atmosfera planet. Ia sepatutnya, berinteraksi dengan atom-atom karbon, nitrogen dan oksigen yang terkandung dalam media yang dilepaskan, trihydrogen H3+ ia juga beralih dari simetri yang stabil kepada keadaan asymmetric yang teruja dan memulakan rangkaian proses kimia yang membawa kepada pembentukan molekul air, ammonia, hidrogen sianida, metanol dan alkohol lain, formaldehid dan hidrokarbon.Perkara organik yang terhasil, apabila dimusnahkan, boleh menjadi sumber kation H.3+dan, berinteraksi dengan trihydrogen yang teruja, mengambil bahagian dalam proses selanjutnya merumitkan struktur bahan organik – pembentukan asid amino dan gula yang paling mudah – blok bangunan kehidupan.

Kesukaran mengkaji ciri-ciri pembentukan kation trihidrogen daripada molekul organik adalah disebabkan oleh reaksi-reaksi ini adalah unik – sebelum pembentukan ikatan kimia baru, rehat berturut-turut dua atau lebih obligasi diperlukan, manakala reaksi kimia "klasik" atau urutan karakteristik melanggar satu ikatan – pembentukan satu ikatan (lihat Reaksi substitusi nukleofilik alifatik), atau pecahnya lama dan pembentukan ikatan kimia baru berlaku serentak dan konsert.

Penyelidik dari kumpulan profesor kehormat kimia dan fizik di Universiti Michigan Marcos Dantus (Marcos Dantus), menggunakan laser, dapat menghasilkan semula tindak balas yang boleh berlaku di pusat Bima Sakti, dan di ionosfera Jupiter, Saturnus dan Uranus, dan mungkin di dalam ionosfer bumi – pembentukan kation trihidrogen dari molekul organik seperti metil alkohol (CH3OH), aseton (CH3C (O) CH3) atau etilena glikol (C2H6O2). Untuk kajian eksperimen H3+ digunakan dengan kuasa tinggi (2.5 ÷ 6.0) × 1014 Watt / cm2 laser nilam, yang berkhidmat untuk memulakan tindak balas, dan mengkaji struktur produk reaksi dan meneruskan semasa pembentukan H3+ Tahap utama reaksi, serta penganalisis massal masa penerbangan, yang digunakan untuk mengesahkan komposisi ion yang dihasilkan dari tindakan radiasi laser pada molekul organik.

Rajah. 2 Spektrum massa campuran tindak balas yang diperolehi apabila penyinaran etilena glikol dengan laser polarisasi linear (lihat Polarisasi radiasi laser) dengan kuasa spesifik sebanyak 2.5 × 1014 Watt / cm2. Hanya ion yang penting dalam rangka penyelidikan yang ditunjukkan ditunjukkan – iaitu, nisbah massa / caj (m/z) yang tidak melebihi 7. Isyarat dengan nisbah m/z = 3 yang berkaitan dengan isyarat trihidrogen H3+ (jisim zarah adalah sama dengan tiga unit jisim atom, cajnya sama dengan perpaduan). Pengkaji kajian tidak termasuk dari pertimbangan pembentukan ion C3+kerana tidak ada isyarat pada ini dan spektrum lain, yang mesti sesuai dengan atom karbon terionisasi triple (m/z = 4 – untuk C3+ jisim atom karbon adalah 12 unit jisim atom, cajnya adalah tiga).Gambar dari artikel dibincangkan di Laporan Saintifik

Menggunakan spektrometri jisim, ditentukan bahawa sebagai hasil penyinaran sebatian organik oleh sinaran laser berkuasa tinggi, salah satu produk transformasi mereka ialah kation trihidrogen H3+, penyelidik menentukan parameter seperti tindak balas yang diperhatikan sebagai kelewatan dalam proses mengepam / menyelidik (masa antara aplikasi denyut nadi laser dan pengesanan kation H3+). Secara selari, menggunakan kimia kuantum, pemodelan pelbagai varian pemusnahan sebatian organik dengan pelepasan kation trihidrogen dilakukan, parameter spektral dari pelbagai laluan pembentukannya dikira, kadar pembentukan H dihitung3+ dan meramalkan nilai kelewatan dalam proses mengepam / penginderaan. Untuk membuat kesimpulan tentang bagaimana tindak balas yang dikaji diteruskan, keputusan yang diperolehi secara eksperimen dikaitkan dengan data yang diperolehi oleh pengiraan kimia kuantum (pendekatan ini membandingkan hasil percubaan dan modelnya, yang diberi nama " menggunakan teori teoretikal ", sering digunakan dalam kimia moden).

Perbandingan data yang diperolehi secara empirikal dan hasil pemodelan kimia kuantum membenarkan para penyelidik untuk menentukan bahawa pembentukan kation3+ bahan organik, ia merujuk kepada yang baru, yang dijelaskan hanya pada tahun 2011, jenis reaksi kimia – "reaksi mengembara" (lihat J. Bowman, 2011. Reaksi perayauan: Cara ketiga). Dalam tindak balas jenis ini, dengan pemusnahan molekul asal, ikatan kimia baru dibentuk bukan di antara atom-atom yang terletak berdekatan dengan satu sama lain (seperti yang biasa dengan tindak balas kimia klasik), tetapi antara atom yang berada pada jarak yang cukup antara satu sama lain.

Hasil kajian yang dilakukan dalam kelompok Dantus, berfungsi sebagai contoh pertama reaksi mengembara yang melibatkan hidrogen molekul H2, yang amat menarik kerana fakta bahawa reaksi mengembara adalah bab baru dalam kimia, penulisan yang baru bermula. Ini, belum ditulis, bab, seterusnya, akan membantu menjelaskan beberapa perkara dengan proses-proses tersebut yang, dari sudut pandangan kimia teori klasik, tidak mungkin atau tidak boleh diteruskan sebagaimana yang mereka lakukan.

Rajah. 3 Dua cara pembentukan ion H3+ dicasi dengan formula umum CH3Rh2+. (a) Apabila melaksanakan mekanisme pertama, ion H3+ terbentuk daripada tiga atom hidrogen yang terikat kepada satu atom karbon. (b) Menurut laluan ini, dua atom hidrogen yang melekat pada satu atom karbon memberi H3+menggabungkan dengan atom hidrogen kumpulan jiran R. Dalam kedua-dua skema, atom hidrogen yang terlibat dalam pembentukan H3+diserlahkan merah. Gambar dari artikel dibincangkan di Laporan Saintifik

Salah satu sebab mengapa kita tahu sedikit tentang reaksi mengembara secara umum (dan mengenai pembentukan H ion3+ khususnya), – hakikat bahawa tindak balas ini meneruskan dengan kelajuan yang tinggi, yang merumitkan kajian mereka. Jadi, untuk proses pendidikan yang dipelajari H3+, yang melibatkan pemecahan tiga bon kimia lama dan pembentukan tiga yang baru, meneruskan 100-240 femtoseconds. Pada masa ini, peluru terbang tidak mempunyai masa untuk mengembara jarak sama dengan diameter atom, dan molekul metanol, yang merupakan model sebatian organik dalam eksperimen, berjaya mengambil bahagian dalam beberapa transformasi sekaligus. Methanol CH pertama3OH di bawah pengaruh radiasi laser kehilangan dua elektron dan berubah menjadi kation CH dua kali ganda3OH2+. Kemudian, dua ikatan C – H dari kation ini kation dipecahkan, mengakibatkan pembentukan hidrogen liar dan CHOH kation.2+, dari mana, pada peringkat terakhir pembentukan kation trihidrogen, mengembara hidrogen dan mengoyakkan proton. Menurut para penyelidik, perkara paling mengejutkan mengenai mekanisme yang dipelajari adalah perpecahan berturut-turut dua ikatan kimia serentak dan pembentukan pengembaraan hidrogen molekul H2 apabila pengujaan molekul organik. Tahap kedua ialah pembentukan ion H3+ dalam interaksi molekul organik terionisasi dan divodorum yang mengembara2 – adalah proses logik dan jangkaan pembentukan ion, yang paling biasa di alam semesta.

Maklumat mengenai mekanisme tindak balas dan berapa cepat pembentukan hasil H3+, menjadikan kita satu langkah lebih dekat untuk memahami intipati proses yang berlaku di luar angkasa yang mendasari pembentukan "molekul hidup". Rancangan penyelidik untuk menentukan bagaimana saiz molekul organik akan menjejaskan kebarangkalian dan kelajuan reaksi mengembara, yang membawa kepada pembentukan ion H3+.

Sumber: 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. Mekanisme dan dinamik masa yang diselesaikan untuk kation trihidrogen (H3+) pembentukan medan laser // Laporan Saintifik. 2017. V. 7 (1). Nombor artikel: 4703. DOI: 10.1038 / s41598-017-04666-w.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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