Klaster jonów wodoru

Klaster jonów molekularnych wodoru lub jon klastra wodoru jest dodatnio naładowanym skupiskiem cząsteczek wodoru. Jon cząsteczkowy wodoru ( H
⁺ ₂ ) i jon trójwodorowy ( H
⁺ ₃ ) są dobrze zdefiniowanymi formami cząsteczkowymi. Jednak wodór tworzy również pojedynczo naładowane klastry ( H
⁺ _n ) z n do 120.

Eksperymenty

Klastry jonów wodorowych mogą tworzyć się w ciekłym helu lub w mniejszym rozmiarze w czystym wodorze. H
⁺ ₆ jest znacznie bardziej powszechny niż gromady o wyższych numerach parzystych. H
⁺ ₆ jest stabilny w stałym wodorze . Ładunek dodatni jest równoważony przez solwatowany elektron. Powstaje, gdy promieniowanie jonizujące uderza w stały wodór , i tak powstaje w stałym radioaktywnym trycie . W naturalnym wodorze poddanym działaniu promieniowania ładunek dodatni przenosi się na cząsteczki HD, a nie na H
₂ , przy czym najbardziej stabilnym układem jest HD(HD) ⁺ HD. H
⁺ ₆ może migrować przez stały wodór, łącząc cząsteczkę wodoru na jednym końcu i tracąc ją na drugim: H
₂ + H
⁺ ₆ → H
⁺ ₆ + H
₂ . Ta migracja zatrzymuje się po dodaniu cząsteczki HD, co skutkuje niższym poziomem energii. HD lub D2
_. dodaje się korzystniej
_niż H2

Clampitt i Gowland znaleźli skupiska o nieparzystej liczbie atomów wodoru H
⁺ _{3+2 n} , a później wykazali, że H
⁺ ₁₅ jest stosunkowo stabilny. H
⁺ ₃ utworzył rdzeń tej gromady z otaczającymi go sześcioma cząsteczkami H
₂ . Hiroka badał stabilność klastrów o numerach nieparzystych w gazie do H
⁺ ₂₁ . Bae ustalił, że H
⁺ ₁₅ jest szczególnie stabilny wśród klastrów o numerach nieparzystych.

Kirchner odkrył parzyste skupiska atomów w gazie przy niższych stężeniach niż skupiska atomów o numerach nieparzystych. H
⁺ ₆ było dwadzieścia razy mniej obfite niż H
⁺ ₅ . H
⁺ ₄ , H
⁺ ₈ i H
⁺ ₁₀ wykryto w ilościach mniejszych niż H
⁺ ₆ . Kurosaki i Takayanagi wykazali, że H
⁺ ₆ jest znacznie bardziej stabilny niż inne parzyste gromady i wykazali to symetria antypryzmatyczna rzędu 4 ( symetria cząsteczkowa D
_2d ). Obliczeniowo stwierdzono, że ta cząsteczka o strukturze kołowrotu jest bardziej stabilna energetycznie niż pierścień pięciu atomów wodoru wokół protonu.

Nie stwierdzono istnienia ujemnych klastrów wodoru. H
^- ₃ jest teoretycznie niestabilny, ale D
^- ₃ teoretycznie jest związany przy 0,003 eV.

Rozkład

H
⁺ ₆ w wolnym stanie gazowym rozpada się, wydzielając atomy H i cząsteczki H
₂ . Występują różne energie rozpadu, przy poziomach średnio 0,038 eV i maksimum przy 0,14 eV.

Tworzenie

Klastry jonów cząsteczkowych wodoru mogą być tworzone przez różne rodzaje promieniowania jonizującego. Zadanie to mogą wykonać wysokoenergetyczne elektrony zdolne do jonizacji materiału. Kiedy wodór rozpuszczony w ciekłym helu jest naświetlany elektronami, ich energia musi być wystarczająca do zjonizowania helu w celu wytworzenia znacznych skupisk wodoru. Napromieniowanie stałego wodoru promieniami gamma lub rentgenowskimi również wytwarza H
⁺ ₆ .

Skupiska jonów dodatnich powstają również, gdy sprężony wodór rozpręża się przez dyszę.

Teoria Kirchnera dotycząca tworzenia parzystych klastrów była taka, że ​​obojętne cząsteczki H
₃ reagowały z jonem H
⁺ ₃ (lub innymi nieparzystymi klastrami), tworząc H
⁺ ₆ .

Nieruchomości

Solwatacja H
⁺ ₆ w stałym wodorze miała niewielki wpływ na jego widmo.

Używać

SRI International badało stałe jonowe paliwo wodorowe. Uważali, że można wytworzyć ciało stałe zawierające jony H
⁺ ₃ i H ^{- .} Gdyby udało się go wyprodukować, miałby wyższą energię niż inne paliwa rakietowe przy stężeniu jonów wynoszącym zaledwie 2%. Jednak nie mogli zawierać H ^- w stabilny sposób, ale ustalili, że inne jony ujemne również sobie poradzą. Ten teoretyczny impuls przewyższa impuls rakiet na paliwo stałe i płynne. Firma SRI opracowała wyrzutnię jonów klastrowych, która może wytwarzać klastry jonów dodatnich i ujemnych przy prądzie o natężeniu 500 pA .

Fuzja jądrowa z wykorzystaniem klastrów jonów może za jednym zamachem oddziaływać na znacznie więcej atomów niż pojedyncze jony. Ta koncepcja nazywa się fuzją jonów klasterowych (CIF). Deuterek litu (LiD) jest potencjalnym materiałem startowym do generowania jonów.