Hoe metaal gevorm word: Elektroliete besig om metaal

Die span dan ondersoek hierdie vloeibare jets met behulp van sagte X-strale by Bessy II en daarna in staat was om hierdie proses te analiseer in detail uit die data wat hulle verwerf gekombineer met teoretiese voorspellings nie. Die werk is gepubliseer in Wetenskap.

Wat onderskei metale uit ander materiale is oor die algemeen goed verstaan. In 'n metaal, 'n paar van die buitenste elektrone wat die atoom 'beweeg deur die kristallyne rooster in wat 'n geleidingsband genoem. Dit is hoe metale elektriese stroom. In teenstelling met metale, die ione in elektroliete is versteurd en elektriese geleiding verminder selfs met 'n toenemende konsentrasie. So hoe metaal gedrag spruit uit die talle individuele metaalatome ontbind in die elektroliet? Teen watter konsentrasie en presies hoe doen 'n geleidingsband vorm, en hoe die elektron orbitale tree tydens hierdie proses?

'N Groot internasionale samewerking het nou ontwikkel 'n gesofistikeerde eksperimentele tegniek wat maak dit moontlik om hierdie prosesse in ag te neem vir die eerste keer. 17 skrywers by instellings in Kyoto, Los Angeles, Parys, Praag en Berlyn het hulle kundigheid bygedra.

Een van die belangrikste skrywers is Dr. Bernd Winter van die Fritz-Haber-instituut Berlyn, wat die opstel van die eksperiment by Bessy II saam met Dr. Robert Seidel, hoof van die HZB Operando Inter fotochemie Young Investigator Groep en sy span. As 'n eerste stap, die fisici opgelos alkali metale soos litium en natrium in ammoniak, die vorming van oplossings. Die metaalatome word positief gelaaide ione en hul buitenste elektrone getrek in die vloeibare ammoniak oplossing. Hierdie oplossings is effens blou teen 'n lae metaal konsentrasies, maar as die metaal konsentrasie verhoog, die blou kleur raak meer intens totdat dit oorgange na 'n goue skynsel. Hierdie verrassende kleurverandering is wat verband hou met die elektron state in die ontbinde metale, die wetenskaplikes aanvaar.

Die gebruik van die SOL³PES instrument by die Bessy II U49 / 2-PGM-1 beamline wat Seidel toesig, die span was in staat om verskillende konsentrasies van die alkali-metaal / ammoniak oplossings te bestudeer as vloeibare jets onder ultra-hoë vakuum baie smal met behulp van foto-elektron spektroskopie. Die oplossings moes word afgekoel tot ongeveer -60 grade Celsius. By hierdie temperatuur, ammoniak is 'n vloeistof en sy verdamping is voldoende lae. Dit stel hulle in staat om werklik presies meet die oorgang van elektroliet om metaal.

"Ons was in staat om vir die eerste keer na die foto-elektron sein van die oortollige elektrone in vloeibare ammoniak op te vang. Ons neem 'n smal hoogtepunt omstreeks 2 elektron volts (eV), wat die teenwoordigheid van opgeloste elektrone en dielectrons aandui," sê Winter. Seidel voeg by: "Dit verklaar ook waarom die oplossing is aanvanklik blou teen 'n lae en medium konsentrasies van metaalione:. Die oplossing absorbeer lig in die rooi gebied, wat ooreenstem met die hoogtepunt op 2 eV" As gevolg hiervan, die oplossing verskyn effens blou solank daar net individuele ontbind elektrone. Hierdie blou kleur verskerp met die verskyning van die eerste "elektronpare" - genoem dielectrons. Die kleur verander na goue as die alkalie-metaal konsentrasie verhoog. Terselfdertyd, hierdie smal opname piek verbreed in 'n band met 'n skerp Fermi rand in die spektrum, as kenmerkend van metale, asook vergesel deur seine wat verband hou met kollektiewe excitaties (plas), kenmerkend van gratis metaal elektrone.

"Die groepe onder leiding van die teoretici Pavel Jungwirth en Ondrej Marsalek in Prague was in staat om die elektroniese struktuur van solvated elektrone in oplossing model in advance," sê Winter. "Ons het gevind dat die binding energie hulle bereken pas baie goed met ons eksperimenteel bepaal waardes. Dit het ons vertroue in ons interpretasie van die X-straal-data."

Die werk is gepubliseer in Science, want dit maak 'n belangrike bydrae tot die fundamentele begrip van die oorgang van 'n nie-geleidende om metaal karakter in elektroliete. Daarbenewens is daar selfs praktiese toepassings van solvated elektrone, d.w.z elektrone in oplossing, in organiese chemie as reduseermiddels vir aromatiese sisteme, in battery eletrolytes, en elektroniese kapasitors.

bron: Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. "How metal is formed: Electrolytes becoming metallic." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 June 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200605105354.htm>.