ИОННО-МОЛЕКУЛЯРНЫЕ РЕАКЦИИ
, происходят при столкновениях ионов с молекулами или атомами в газовой фазе. Различают три группы И.-м. р.: бимолекулярные с переходом электрона; бимолекулярные с переходом тяжелой частицы (Н, Н + , Н- или мол. фрагмента, состоящего из неск. атомов); тримолекулярные. Первая группа включает р-ции перезарядки и отрыва электрона от отрицат. ионов. При перезарядке ион и нейтральная частица обмениваются электроном, к-рый переходит к частице, обладающей либо большим потенциалом ионизации (перезарядка с участием положит. иона, напр. О+ + Н2О : Н2О+ + О), либо большим сродством к электрону (перезарядка с участием отрицат. иона, напр. О- + О2 : О2- + О). Перезарядка может сопровождаться диссоциацией нейтральной частицы:
Аr+ +CH4 :CH3+ + Аr + H
Отрыв электрона от отрицат. иона может привести к образованию новой частицы, напр.: О2- + О : О3 + е; в ходе этой р-ции выделяется тепло, к-рое и расходуется на отрыв электрона.
Примеры И.-м. р. с переходом тяжелой частицы: СН4+ + СН4 : СН5+ + СН3; Не+ + Н2 : НеН+ + Н; SO2+ + SO2 : S2O3+ + О; NH4.H2O + NH3 : H+(NH3)2 + + H2O.
Тримолекулярные И.-м. р. - это, как правило, р-ции прилипания нейтральной частицы к иону, в результате чего образуются т. наз. ионные кластеры:
O2+ + O2 + M :O2+ .O2 + M;
О2- + О2 + М : О2- .О2 + М
(М - третья частица). Образование ионных кластеров в газе, содержащем заряженные частицы, начинает играть заметную роль при общем давлении р ~ 10-2 мм рт. ст., а при р ~ 1 мм рт. ст. практически в любой газовой системе при не слишком высоких т-рах ионы существуют преим. в виде кластеров.
Наиб. распространены И.-м. р. с переходом тяжелой частицы. Существенной особенностью этих процессов по сравнению с р-циями нейтральных частиц является их безактивац. характер. Предполагается, что при взаимод. иона с нейтральной частицей, обладающей наведенным (или постоянным) электрич. дипольным моментом, кинетич. энергия системы увеличивается за счет ион-диполъного взаимод., энергия к-рого на расстояниях между частицами ~ 0,2-0,5 нм, т.е. порядка длин хим. связей, достигает ~ 1 эВ. В результате активац. барьер х 1 эВ, характерный для р-ций большинства активных нейтральных частиц, не является таковым для И.-м. р.
Типичные значения констант скорости И.-м. р. составляют 10-9-10-10 см3.с-1 и в широком диапазоне т-р м. б. приближенно рассчитаны. Исключение составляют И.-м. р., запрещенные по орбитальной симметрии либо по спину (см. Вудворда-Хофмана правила
). Примером может служить р-ция О+ + N2 : NO+ +N, превращающая практически не рекомбинирующие атомарные ионы О+ в быстро рекомбинирующие мол. ионы NO+ и потому играющая важную роль в установлении стационарной концентрации электронов в ионосфере. Измеренная константа скорости этой р-ции на два порядка меньше значения, рассчитанного без учета запрета по спину.
Р-ции перезарядки идут столь же быстро, что и р-ции с переходом тяжелых частиц. При т. наз. резонансной перезарядке тепловой эффект равен нулю, а эффективные сечения очень велики. Так, с эффективным сечением s ~ 10-14 см2 происходит перезарядка атомных ионов на одноименных атомах: Аr+ + Аr : Аr + Аr+ (это можно установить, напр., по изменению энергии заряженных частиц). При нерезонансной перезарядке атомных ионов на атомах или малоатомных молекулах сечение р-ции существенно зависит от дефекта резонанса DE - разницы энергетич. уровней, между к-рыми происходит переход электрона. В этом случае сечение процесса экспоненциально уменьшается с ростом DE и м. б. приближенно рассчитано в т. наз. адиабатич. области, когда кинетич. энергия сближения частиц Eк мала по сравнению с орбитальной энергией электронов. Кроме того, необходимо, чтобы Ек была больше дефекта резонанса DEэн для эндотермич. процесса. В противном случае, т. е. при Ек < DEэи, s = 0.
При увеличении числа атомов в молекуле становится возможным "случайный резонанс", когда молекула имеет возбужденное состояние, совпадающее по энергии с состоянием иона. Перезарядка с участием многоатомных молекул происходит в осн. с возбуждением образующего иона и послед. релаксацией энергии возбуждения либо диссоциацией молекулы (если энергии возбуждения хватает на разрыв связи).
Высокие значения констант скорости И.-м. р. приводят к тому, что в подавляющем большинстве практически важных процессов с участием заряженных частиц, происходящих в плазме, радиационнохим. реакторах, земной атмосфере, космосе и т.п. наблюдается такая последовательность р-ций: ионизация - И.-м. р. - рекомбинация (см. также Ионы в газах
).
И.-м. р. были обнаружены масс-спектрометрич. способом сначала для неорг. в-в (Т. Хогнесс, Я. Харкнесс, 1928), затем для органических (В. Л. Тальрозе, 1952).
Лит.: Ионно-молекулярные реакция в газах, М., 1979; Смирнов Б. М., Комплексные ионы, М., 1983. И. К. Ларин. В. Л. Тальрозе.
|
