Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о твердой фазе элементарного кислорода. Для твердых веществ, используемых в качестве источника кислорода или окислителя, см. Окислитель .

Твердый кислород образуется при нормальном атмосферном давлении при температуре ниже 54,36 К (-218,79 ° C, -361,82 ° F). Твердый кислород O 2 , как и жидкий кислород , представляет собой прозрачное вещество светло -голубого цвета, вызванное поглощением в красной части спектра видимого света.

Молекулы кислорода привлекли внимание из-за взаимосвязи между молекулярной намагниченностью и кристаллическими структурами , электронными структурами и сверхпроводимостью . Кислород - единственная простая двухатомная молекула (и одна из немногих молекул в целом), обладающая магнитным моментом . [1] Это делает твердый кислород особенно интересным, так как он считается кристаллом с «управляемым спином» [1], который демонстрирует антиферромагнитный магнитный порядок в низкотемпературных фазах. Магнитные свойства кислорода широко изучены. [2]При очень высоких давлениях твердый кислород переходит из изолирующего в металлическое состояние; [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 однозначно установлено шесть отдельных кристаллографических фаз .

Плотность твердого кислорода составляет от 21 см 3 / моль в α-фазе до 23,5 см 3 / моль в γ-фазе. [5]

Фазы [ править ]

Фазовая диаграмма твердого кислорода

Известно, что существует шесть различных фаз твердого кислорода: [1] [6]

  1. α-фаза: голубая  - при 1 атм, ниже 23,8 К образует моноклинную кристаллическую структуру.
  2. β-фаза: от слабого синего до розового  - при 1 атм, ниже 43,8 К образуется ромбоэдрическая кристаллическая структура (при комнатной температуре и высоком давлении начинается превращение в тетракислород).
  3. γ-фаза: бледно-голубая  - при 1 атм, ниже 54,36 К образуется кубическая кристаллическая структура.
  4. δ-фаза: оранжевый  - образуется при комнатной температуре при давлении 9 ГПа
  5. ε-фаза: от темно-красного до черного  - образуется при комнатной температуре и давлении более 10 ГПа.
  6. ζ-фаза: металлическая  - образуется при давлениях более 96 ГПа

Известно, что кислород затвердевает до состояния, называемого β-фазой, при комнатной температуре за счет приложения давления, и при дальнейшем увеличении давления β-фаза претерпевает фазовые переходы в δ-фазу при 9 ГПа и ε-фазу при давлении 9 ГПа. 10 ГПа; и, из-за увеличения молекулярных взаимодействий , цвет β-фазы изменяется на розовый, оранжевый, затем красный (стабильная фаза октаокислорода), а красный цвет далее темнеет до черного с повышением давления. Было обнаружено, что металлическая ζ-фаза появляется при 96 ГПа при дальнейшем сжатии кислорода ε-фазы. [6]

Красный кислород [ править ]

Основная статья: Octaoxygen

Когда давление кислорода при комнатной температуре увеличивается на 10 гигапаскалей (1500000 фунтов на квадратный дюйм), он претерпевает резкий фазовый переход . Его объем значительно уменьшается [7], и он меняет цвет от небесно-голубого до темно-красного. [8] Однако это другой аллотроп кислорода , O
8, а не просто другая кристаллическая фаза O 2 .

Шаровидная модель O 8
Часть кристаллической структуры ε-кислорода

Металлический кислород [ править ]

Ζ -фазы появляется при 96 ГПа при ε-фазы кислорода дополнительно сжимают. [7] Эта фаза была открыта в 1990 году при сжатии кислорода до 132 ГПа. [3] ζ-фаза с металлическим кластером [9] проявляет сверхпроводимость при давлениях более 100 ГПа и температуре ниже 0,6 К. [4] [6]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Фрейман, Я. и Йодль, HJ (2004). «Твердый кислород». Отчеты по физике . 401 (1–4): 1–228. Bibcode : 2004PhR ... 401 .... 1F . DOI : 10.1016 / j.physrep.2004.06.002 .
  2. ^ См. Также: Статьи, посвященные магнитным свойствам твердого кислорода, мы ссылаемся на намагничивание конденсированного кислорода при высоких давлениях и в сильных магнитных полях, написанные RJ Meier, CJ Schinkel и A. de Visser, J. Phys. C15 (1982) 1015–1024, поглощение в дальней инфракрасной области, связанное с магнитными возбуждениями или спиновыми волнами в Meier RJ, Colpa JHP и Sigg H 1984 J. Phys. C: Физика твердого тела. 17 4501.
  3. ^ a b Desgreniers, S., Vohra, YK & Ruoff, AL (1990). «Оптический отклик твердого кислорода очень высокой плотности до 132 ГПа». Журнал физической химии . 94 (3): 1117–1122. DOI : 10.1021 / j100366a020 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  4. ^ a b Симидзу, К., Сухара, К., Икумо, М., Еремец, М. И., Амайя, К. (1998). «Сверхпроводимость в кислороде». Природа . 393 (6687): 767–769. Bibcode : 1998Natur.393..767S . DOI : 10.1038 / 31656 . S2CID 205001394 . CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  5. ^ Roder, HM (1978). «Молярный объем (плотность) твердого кислорода в равновесии с паром». Журнал физических и химических справочных данных . 7 (3): 949–958. Bibcode : 1978JPCRD ... 7..949R . DOI : 10.1063 / 1.555582 .
  6. ^ a b c Передовые промышленные науки и технологии (AIST) (2006). «Кристаллическая структура ε-фазы твердого кислорода, определенная вместе с открытием кластера красного кислорода O 8 » . AZoNano . Проверено 10 января 2008 .
  7. ^ a b Акахама, Юичи; Харуки Кавамура; Даниэль Хойзерманн; Майкл Ханфланд; Осаму Шимомура (июнь 1995 г.). «Новый структурный переход кислорода под высоким давлением при 96 ГПа, связанный с металлизацией в молекулярном твердом теле». Письма с физическим обзором . 74 (23): 4690–4694. Bibcode : 1995PhRvL..74.4690A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.74.4690 . PMID 10058574 . 
  8. ^ Никол, Малькольм; К. Р. Хирш; Вилфрид Б. Хольцапфель (декабрь 1979 г.). «Кислородные фазовые равновесия около 298 К». Письма по химической физике . 68 (1): 49–52. Bibcode : 1979CPL .... 68 ... 49N . DOI : 10.1016 / 0009-2614 (79) 80066-4 .
  9. ^ Питер П. Эдвардс; Фридрих Хензель (14 января 2002). «Металлический кислород». ХимФисХим . Вайнхайм, Германия: WILEY-VCH-Verlag. 3 (1): 53–56. DOI : 10.1002 / 1439-7641 (20020118) 3: 1 <53 :: АИД-CPHC53> 3.0.CO; 2-2 . PMID 12465476 .