Atom kümesi - Atom cluster

Buckminsterfullerene (formül: C 60 ) bir atomik kümedir.

Olarak kimya , bir atom bir küme (ya da sadece bir küme ) bağlı bir topluluk olduğunu atomu veya moleküllerin basit bir molekül ve bir arasındaki boyutu içinde bir ara madde olan nano parçacık ; yani birkaç nanometre (nm) çapa kadar. Mikroküme terimi , birkaç düzine atoma kadar olan topluluklar için kullanılabilir.

Belirli bir düzende belirli sayıda ve türde atom içeren kümeler, genellikle belirli bir kimyasal bileşik olarak kabul edilir ve bu şekilde incelenir. Örneğin fulleren , kesik bir ikosahedronun tepe noktaları olarak düzenlenmiş 60 karbon atomlu bir kümedir ve dekaboran , 14 hidrojen atomu ile çevrili, tamamlanmamış bir ikosahedron oluşturan 10 bor atomundan oluşan bir kümedir .

Terim en yaygın olarak, aynı elementin veya birkaç farklı elementin üç boyutlu bir düzende bağlanmış birkaç atomundan oluşan topluluklar için kullanılır. Geçiş metalleri ve ana grup elemanları özellikle sağlam kümeler oluşturur. Aslında, bazı bağlamlarda bu terim , çekirdek atomları metal olan ve en az bir metalik bağ içeren bir metal kümesine özel olarak atıfta bulunabilir . Bu durumda, niteleyici poli , birden fazla metal atomu olan bir kümeyi belirtir ve heteronükleer , en az iki farklı metal elementi olan bir kümeyi belirtir. Çıplak metal kümeleri, diğer elementlerin dış kabuğuna sahip kümelerin aksine, yalnızca metal atomlarına sahiptir. Sonuncusu , çekirdek atomlarına kovalent olarak bağlı siyanür veya metil gibi fonksiyonel gruplar olabilir ; veya birçoğu , karbon monoksit , halojenürler , izosiyanürler , alkenler ve hidritler gibi koordinasyon bağlarıyla bağlanan ligandlar olabilir .

Bununla birlikte, terimler aynı zamanda metal içermeyen ( boranlar ve karboranlar gibi ) ve çekirdek atomları kovalent veya iyonik bağlarla bir arada tutulan topluluklar için de kullanılır . Su kümelerinde olduğu gibi Van der Waals veya hidrojen bağları tarafından bir arada tutulan atom veya molekül toplulukları için de kullanılır .

Kümeleri önemli bir rol oynayabilir , faz geçişi gibi çökeltme gelen çözeltiler , yoğunlaşma ve buharlaştırma sıvıların ve katıların, dondurma ve eritme , ve soğurma, diğer malzemelere.

Tarih

[Bi 8 ](GaCl 4 ) 2'deki Bi 8 2+ kümesinin yapısı .

Metal kümeleri de dahil olmak üzere atom kümesi bileşikleri, antik çağlardan beri insanlar tarafından farkında olmadan kullanılmıştır. Yapay olarak üretilen en eski metal küme, kalomel Hg olabilir
2Cl
2Hindistan'da zaten 12. yüzyılda biliniyordu.

Küme bileşiklerinin yapısının aydınlatılması ancak 20. yüzyılda mümkün oldu. Örneğin, kalomelde bir cıva -cıva bağının varlığı 1900'lerin başında kurulmuştur. Bu ilerlemeler, tek kristalli X-ışını kırınımı gibi güvenilir yapısal analiz araçlarının geliştirilmesiyle mümkün olmuştur .

"Küme" terimi, 1960'ların başında FA Cotton tarafından özellikle metal-metal bağları içeren bileşiklere atıfta bulunmak için kullanıldı.

Karbon kümeleri ilk olarak 1984 yılında Eric A. Rohlfing , Donald M. Cox ve Andrew Kaldor tarafından grafitin lazerle buharlaştırıldığı ve buharın bir helyum atmosferiyle söndürüldüğü deneylerde tespit edildi . Yoğunlaştırılmış ürünlerin bir kütle spektrometresi ile analizi, belirli " sihirli sayılara " sahip moleküllerin üstünlüğünü ortaya çıkardı . 1985'te çalışmaları, önde gelen C 60 molekülü için kesilmiş ikosahedron yapısını öneren ve bunun için "buckminsterfullerene" adını öneren Harold Kroto , James R. Heath , Sean O'Brien, Robert Curl ve Richard Smalley tarafından tekrarlandı .

Yapı ve kararlılık

[Te 6 ](O 3 SCF 3 ) 2'nin kafes kısmı . Üçgen içi ve üçgenler arası Te-Te mesafeleri sırasıyla 2.70 ve 3.06 Â'dır.

Atom kümelerinin fiziksel ve kimyasal özellikleri, aynı bileşime sahip dökme katılardan çok farklıdır. Fark, bileşen atomlarının büyük bir bölümünün yüzeylerinde bulunmasından kaynaklanmaktadır. Birkaç düzineden daha az bileşen atomu veya molekülü olan küme çekirdekleri için, kararlı konfigürasyonlar genellikle çekirdeğin yüzeyine bitişik atomların çoğuna veya tümüne sahiptir ve bu nedenle diğer çekirdek elemanlara yalnızca kısmen bağlıdır.

Bir kademeli bir geçiş moleküler türün özellikleri ve sayısı giderek artmaktadır karşılık gelen hacım karışımının arasındaki meydana N yüzeyine bitişik atomlar fraksiyonu yaklaşık olarak ölçeklenir, çünkü iç atomların N -1/3 . Eğer , N 10 5 , küme kabul edilebilir zaman nanoparçacık , çekirdek atomlu sadece yaklaşık% 10, yüzeyinde görünür olacaktır. Bu hala önemli bir yüzdedir, bu da nanoparçacıkların özelliklerinin yığın maddenin özelliklerinden hala önemli ölçüde farklı olmasının bir nedenidir.

Geçiş metali kümeleri sıklıkla refrakter metal atomlarından oluşur . Genel olarak, genişletilmiş d-orbitalleri olan metal merkezler , değerlik orbitallerinin uygun şekilde örtüşmesi nedeniyle kararlı kümeler oluşturur. Bu nedenle, sonraki metaller için düşük oksidasyon durumuna ve erken metaller için orta oksidasyon durumuna sahip metaller, kararlı kümeler oluşturma eğilimindedir. Polinükleer metal karboniller genellikle düşük formal oksidasyon durumlarına sahip geç geçiş metallerinde bulunur . Bir çok-yüzlü iskelet elektron çifti, teorinin veya Wade 'nin elektron sayma kuralları birçok metal kümeleri stabilitesi eğilimleri ve yapıları tahmin. Jemmis mno kuralları , metal kümelerin göreceli kararlılığı hakkında ek bilgi sağlamıştır.

Gaz fazı kümeleri ve fullerenler

Kararsız kümeler, termodinamik olarak kararsız olmalarına ve yoğuşma üzerine kolayca toplanabilmelerine rağmen , kütle spektrometrisi aracılığıyla gaz fazında da gözlemlenebilir . Bu tür çıplak kümeler, yani ligandlar tarafından stabilize edilmemiş olanlar, genellikle bir yığın metalin veya metal içeren bileşiğin lazerle indüklenen buharlaşması - veya ablasyonu - ile üretilir. Tipik olarak, bu yaklaşım, geniş bir boyut dağılımı dağılımı üretir. Elektronik yapıları fotoelektron spektroskopisi gibi tekniklerle sorgulanabilirken , kızılötesi multifoton ayrışma spektroskopisi küme geometrisini daha fazla araştırıyor. Özellikleri ( Reaktivite , İyonizasyon potansiyeli , HOMO – LUMO -boşluğu) genellikle belirgin bir boyut bağımlılığı gösterir. Bu tür kümelerin örnekleri, süper atomlar gibi belirli alüminyum kümeleri ve belirli altın kümeleridir . Bazı metal kümelerinin metal aromatikliği sergilediği kabul edilir . Bazı durumlarda, lazerle ablasyon deneylerin sonuçları izole bileşiklerine çevrilir ve birinci vaka olarak adlandırılan karbon kümelerdir olan fulleren , formülü ile özellikle kümeler 60 , C 70 ve C 84 . Fulleren küresi, Endohedral fullerenler oluşturan küçük moleküllerle doldurulabilir .

Küme bileşiklerinin ana aileleri

Cp * yapısı 10 Al 50 , on pentametilsiklopentadienil ligandlardaki kılıflı alüminyum bir göbek ortaya çıkarılmıştır.

Molekülleri atom kümeleri olan veya çekirdeğinde böyle kümeler bulunan sonsuz çeşitlilikte bileşikler vardır. Aşağıda, araştırmacılardan önemli ölçüde ilgi görmüş bazı sınıflar bulunmaktadır.

metallokarbohedrinler

Ana madde: metallokarbohedrin

Metallokarbohedrinler (veya kısaca met-car ), moleküler formülü M olan bir kümeler ailesidir.
8C
12burada M titanyum , vanadyum , zirkonyum , niyobyum , hafniyum , molibden , krom veya demir gibi bir geçiş metalidir . Uygun hidrokarbon içeren bir atmosferde istenilen metalin lazerle buharlaştırılmasıyla üretilebilirler . Ayrıca, iki Ti-C elektrotu arasındaki bir elektrik arkı tarafından üretilen kurumda %1 veya daha az bir konsantrasyonda tespit edilmiştir . Bir küpün köşelerinde metal atomları bulunur, ancak karbon atomları o küpün yüzleriyle neredeyse aynı düzlemde olacak şekilde içe doğru itilir.

Zintl kümeleri

Zintl bileşikleri , çoğunlukla metaller veya yarı metaller olmak üzere ağır ana grup p elementlerinin alkali metallerle, genellikle susuz sıvı amonyak veya etilendiamin içinde bir çözelti olarak indirgenmesiyle üretilen çıplak anyonik kümelere sahiptir . Zintl anyon örnekleri [Bi 3 ] 3− , [Sn 9 ] 4− , [Pb 9 ] 4− ve [Sb 7 ] 3− 'dir . Bu türler "çıplak kümeler" olarak adlandırılsa da, genellikle alkali metal katyonları ile güçlü bir şekilde ilişkilidir. Bazı örnekler , alkali metal katyonunun kriptat kompleksleri kullanılarak izole edilmiştir , örneğin, başlıklı kare antiprizmatik bir şekle sahip olan [Pb 10 ] 2− anyon . Göre Wade kurallarına (2n + 2), küme elektron sayısı 22 ve bu nedenle a, Closo kümesi . Bileşik hazırlanır oksidasyon K 4 Pb 9 Au ile + PPh içinde 3 (tepkimesiyle AuCl tetrakloroaurik asit ve trifenilfosfin olarak) , etilen diamin ile 2,2,2-crypt . Bu tip küme zaten endohedral Ni@Pb 10 2− olarak biliniyordu (kafes bir nikel atomu içerir ). İkosahedral kalay Sn küme 12 2- ya da stannaspherene anyon başka bir kapalı kabuk ile yapısı görülmektedir (ancak izole değil) fotoelektron spektroskopisi . 6.1 Ångstrom iç çapı ile , fulleren ile karşılaştırılabilir boyuttadır ve endohedral fullerenler ile aynı şekilde küçük atomları içerebilmelidir ve aslında bir Ir atomu içeren bir Sn 12 kümesi vardır: [Ir@Sn 12 ] 3− .

Ayrıca bakınız

Daha fazla okuma (inceleme)

  • Schnöckel, Hansgeorg (2010). "Metalloid al ve Ga Kümelerinin Yapıları ve Özellikleri, Metallerin Oluşumu ve Çözünmesi Sırasında Temel Kimyasal ve Fiziksel İşlemlerin Çeşitliliğine ve Karmaşıklığına Gözlerimizi Açıyor". Kimyasal İncelemeler . 110 (7): 4125–4163. doi : 10.1021/cr900375g . PMID  20540559 .
  • Yano, Junko; Yachandra, Vittal (2014). " Fotosentezde Mn 4 Ca Kümesi: Su Nerede ve Nasıl Dioksijene Oksitlenir" . Kimyasal İncelemeler . 114 (8): 4175-4205. doi : 10.1021/cr4004874 . PMID  24684576 .
  • Dermota, TE; Zhong, Q.; Castleman, AW (2004). "Küme Sistemlerinde Ultra Hızlı Dinamikler". Kimyasal İncelemeler . 104 (4): 1861–1886. doi : 10.1021/cr020665e . PMID  15080714 .
  • Niedner-Schatteburg, Gereon; Bondybey, Vladimir E. (2000). "İyonik Su Kümesi Reaksiyonlarında Çözülme Etkilerinin FT-ICR Çalışmaları". Kimyasal İncelemeler . 100 (11): 4059–4086. doi : 10.1021/cr990065o . PMID  11749340 .
  • Gabriel, Jean-Christophe P.; Boubekeur, Kemal; Uriel, Santiago; Batail, Patrick (2001). "Hekzanükleer Renyum Kalkohalit Kümelerinin Kimyası". Kimyasal İncelemeler . 101 (7): 2037–2066. doi : 10.1021/cr980058k . PMID  11710240 .
  • Rohmer, Marie-Madeleine; Benard, Marc; Poblet, Josep-M. (2000). "Metallokarbohedrenler M8C12 ve Geçiş Metal / Karbon Kümeleri ve Nanokristallerin Yapısı, Reaktivitesi ve Büyüme Yolları: Hesaplamalı Kimyaya Bir Meydan Okuma". Kimyasal İncelemeler . 100 (2): 495–542. doi : 10.1021/cr9803885 . PMID  11749244 .
  • Mueterties, EL; Rhodin, TN; Grup, Elliot.; Brucker, CF; Pretzer, WR (1979). "Kümeler ve Yüzeyler". Kimyasal İncelemeler . 79 (2): 91–137. doi : 10.1021/cr60318a001 .

Referanslar

Dış bağlantılar

  • http://cluster-science.net - kümeler, fullerenler, nanotüpler, nanoyapılar ve benzeri küçük sistemler için bilimsel topluluk portalı