Твердый кислород
Твердый кислород образуется при нормальном атмосферном давлении и температуре ниже 54,36 К (-218,79 ° C, -361,82 ° F). Твердый кислород О 2 , как и жидкий кислород , представляет собой прозрачное вещество светло -голубого цвета, обусловленное поглощением в красной части спектра видимого света.
Молекулы кислорода привлекли внимание из-за связи между молекулярной намагниченностью и кристаллическими структурами , электронными структурами и сверхпроводимостью . Кислород — единственная простая двухатомная молекула (и одна из немногих молекул вообще), обладающая магнитным моментом . [1] Это делает твердый кислород особенно интересным, поскольку он считается кристаллом с «управляемым вращением». [1] который демонстрирует антиферромагнитный магнитный порядок в низкотемпературных фазах. Магнитные свойства кислорода широко изучены. [2] При очень высоких давлениях твердый кислород переходит из изолирующего состояния в металлическое ; [3] а при очень низких температурах он даже переходит в сверхпроводящее состояние . [4] Структурные исследования твердого кислорода начались в 1920-х годах и в настоящее время шесть различных кристаллографических фаз однозначно установлены .
Плотность твердого кислорода колеблется от 21 см. 3 / моль в α-фазе до 23,5 см 3 /моль в γ-фазе. [5]
Фазы
[ редактировать ]
шесть различных фаз твердого кислорода: Известно, что существуют [1] [6]
- α-фаза: светло-голубая – образуется при 1 атм, ниже 23,8 К, моноклинная кристаллическая структура, пр. гр. С 2/ м (№ 12).
- β-фаза: от бледно-голубого до розового цвета – образуется при 1 атм, ниже 43,8 К, ромбоэдрическая кристаллическая структура, пр. группа R 3 м (№ 166). При комнатной температуре и высоком давлении начинается превращение в тетракислород.
- γ-фаза: бледно-голубая – образуется при 1 атм, ниже 54,36 К, кубическая кристаллическая структура, Pm 3 n (№ 223). [7] [8]
- δ-фаза: оранжевая – образуется при комнатной температуре и давлении 9 ГПа.
- ε-фаза: от темно-красного до черного цвета – образуется при комнатной температуре и давлении более 10 ГПа.
- ζ-фаза: металлическая – образуется при давлении более 96 ГПа.
Установлено, что кислород затвердевает в состояние, называемое β-фазой, при комнатной температуре под действием давления, а при дальнейшем повышении давления β-фаза претерпевает фазовые переходы в δ-фазу при 9 ГПа и в ε-фазу при давлении 9 ГПа. 10 ГПа; и из-за увеличения молекулярных взаимодействий цвет β-фазы меняется на розовый, оранжевый, затем на красный (стабильная октакислородная фаза), а красный цвет далее темнеет до черного с увеличением давления. Установлено, что металлическая ζ-фаза появляется при давлении 96 ГПа при дальнейшем сжатии кислорода ε-фазы. [6]
Красный кислород
[ редактировать ]Когда давление кислорода при комнатной температуре увеличивается до 10 гигапаскалей (1 500 000 фунтов на квадратный дюйм), он претерпевает резкий фазовый переход . Его объем значительно уменьшается [9] и он меняет цвет с небесно-голубого на темно-красный. [10] Однако это другой аллотроп кислорода , O
8 , а не просто другая кристаллическая фаза O 2 .
 |  |
| Шаровидная модель О 8 | Часть кристаллической структуры ε-кислорода |
Металлический кислород
[ редактировать ]- фаза ζ появляется при давлении 96 ГПа при дальнейшем сжатии кислорода ε-фазы. [9] Эта фаза была открыта в 1990 году путем повышения давления кислорода до 132 ГПа. [3] ζ-фаза с металлическим кластером [11] проявляет сверхпроводимость при давлениях более 100 ГПа и температуре ниже 0,6 К. [4] [6]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Фрейман Ю.А. и Йодль Х.Дж. (2004). «Твердый кислород». Отчеты по физике . 401 (1–4): 1–228. Бибкод : 2004PhR...401....1F . doi : 10.1016/j.physrep.2004.06.002 .
- ^ См. также: В статьях, посвященных магнитным свойствам твердого кислорода, мы ссылаемся на намагничивание конденсированного кислорода при высоких давлениях и в сильных магнитных полях Р. Дж. Мейера, К. Дж. Шинкеля и А. де Виссера, J. Phys. C15 (1982) 1015–1024, поглощение в дальней инфракрасной области спектра, связанное с магнитными возбуждениями или спиновыми волнами в Meier RJ, Colpa JHP и Sigg H 1984 J. Phys. C: Физика твердого тела. 17 4501.
- ^ Jump up to: а б Дегренье С., Вохра Ю.К. и Руофф А.Л. (1990). «Оптический отклик твердого кислорода очень высокой плотности до 132 ГПа». Журнал физической химии . 94 (3): 1117–1122. дои : 10.1021/j100366a020 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Симидзу К., Сухара К., Икумо М., Эремец М.И. и Амайя К. (1998). «Сверхпроводимость в кислороде». Природа . 393 (6687): 767–769. Бибкод : 1998Natur.393..767S . дои : 10.1038/31656 . S2CID 205001394 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Родер, HM (1978). «Молярный объем (плотность) твердого кислорода в равновесии с паром». Журнал физических и химических справочных данных . 7 (3): 949–958. Бибкод : 1978JPCRD...7..949R . дои : 10.1063/1.555582 .
- ^ Jump up to: а б с Передовые промышленные науки и технологии (AIST) (2006). «Кристаллическая структура ε-фазы твердого кислорода, определенная вместе с открытием кластера красного кислорода O 8 » . АЗоНано . Проверено 10 января 2008 г.
- ^ Джордан, TH; Стрейб, В.Д.; Смит, Х.В.; Липскомб, WN (1 июня 1964 г.). «Монокристаллические исследования β-F 2 и γ-O 2 » . Акта Кристаллографика . 17 (6). Международный союз кристаллографии (IUCr): 777–778. дои : 10.1107/s0365110x6400202x . ISSN 0365-110X .
- ^ ДеФотис, Гэри К. (1 мая 1981 г.). «Магнетизм твердого кислорода». Физический обзор B . 23 (9). Американское физическое общество (APS): 4714–4740. Бибкод : 1981PhRvB..23.4714D . дои : 10.1103/physrevb.23.4714 . ISSN 0163-1829 .
- ^ Jump up to: а б Акахама, Юичи; Кавамура, Харуки; Хойзерманн, Даниэль; Ханфланд, Майкл; Симомура, Осаму (июнь 1995 г.). «Новый структурный переход кислорода при высоком давлении при 96 ГПа, связанный с металлизацией в молекулярном твердом теле». Письма о физических отзывах . 74 (23): 4690–4694. Бибкод : 1995PhRvL..74.4690A . дои : 10.1103/PhysRevLett.74.4690 . ПМИД 10058574 .
- ^ Никол, Малькольм; Хирш, КР; Хольцапфель, Вильфрид Б. (декабрь 1979 г.). «Фазовое равновесие кислорода около 298 К». Письма по химической физике . 68 (1): 49–52. Бибкод : 1979CPL....68...49N . дои : 10.1016/0009-2614(79)80066-4 .
- ^ Эдвардс, Питер П.; Хензель, Фридрих (14 января 2002 г.). «Металлический кислород». ХимияФизХим . 3 (1). Вайнхайм, Германия: WILEY-VCH-Verlag: 53–56. doi : 10.1002/1439-7641(20020118)3:1<53::AID-CPHC53>3.0.CO;2-2 . ПМИД 12465476 .