Хемоионизация: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
[отпатрулированная версия][отпатрулированная версия]
Содержимое удалено Содержимое добавлено
Если неконсенсусное - то зачем возвращать?
Метка: отмена
возврат к довоенной версии
Метка: отмена
 
Строка 1: Строка 1:
[[Файл:Chemi-ionization.jpg|мини|Ионизация наиболее интенсивно происходит у основания пламени<ref>http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:20787/FULLTEXT01.pdf</ref><!-- Цитата из источника: «The ionization occurs at the base of the flame so the electrode top has harder to attract the positive ions when its moved away from the burner.»-->]]
{{эта статья|о химическом процессе, приводящем к образованию иона|Химическая ионизация|о способе ионизации анализируемой среды<ref name=":0"/> в масс-спектрометрии}}
{{эта статья|о химической реакции, приводящей к образованию иона|Химическая ионизация|о способе ионизации анализируемой среды<ref name=":0"/> в масс-спектрометрии}}
'''Хемоионизация'''{{sfn|Ключарев|1993|с=39}} (хемиионизация<ref name=":0">{{статья|ссылка=https://www.uspkhim.ru/RCR2388pdf|заглавие=Масс-спектроскопия с химической ионизацией|автор=Соловьев Л. А., Каденцев В. И., Чижов О. С.|издание=[[Успехи химии]]|тип =[[научный журнал]]|язык=ru|год=1979|том=48|выпуск=7|страницы=1180—1207}}</ref>; {{lang-en|chemi-ionization}}{{sfn|ИЮПАК|2013|с=1530}}) — образование [[ион]]а в результате газофазовой реакции столкновения нейтрального в плане заряда атома или молекулы с другим нейтральным [[атом|атомом]] или [[Молекула|молекулой]] при условии, что энергия столкновения меньше энергии, необходимой для ионизации реагентов<ref name=":8" />{{sfn|ИЮПАК|2013}}{{sfn|Venter, Nefliu, Graham Cooks|2008|loc=Conspectus|quote=Chemi-ionization refers to the formation of ions through reaction between neutral molecules at collision energies below the ionization energies of the reacting species}}. Может происходить с образованием новых химических связей{{sfn|Ключарев|1993|loc=2. Классификация процессов хемоионизации при тепловых столкновениях тяжелых частиц.|с=40}} или с участием атома или молекулы в [[Возбуждение (физика)|возбуждённом состоянии]]{{sfn|ИЮПАК|2013|с=1530}}{{sfn|Ключарев|1993|loc=2.2. Основные положения современных теорий хемоионизации|с=41}}<ref name=":6">{{Источник информации|Q90886171}}</ref>. Включает в себя реакции с образованием свободного электрона и реакции с образованием пары ионов (положительного и отрицательного). Может протекать в виде [[Ионизация Пеннинга|ионизации Пеннига]], асоциативной ионизации, диссоциативной ионизации, ионизации с переносом атома или группы атомов<ref>{{Источник информации|Q125499439}}</ref>.
'''Хемоионизация'''<ref name="Klucharev1993"/> (хемиионизация<ref name=":0">{{статья|ссылка=https://www.uspkhim.ru/RCR2388pdf|заглавие=Масс-спектроскопия с химической ионизацией|автор=Соловьев Л. А., Каденцев В. И., Чижов О. С.|издание=[[Успехи химии]]|тип =[[научный журнал]]|язык=ru|год=1979|том=48|выпуск=7|страницы=1180—1207}}</ref>; {{lang-en|Chemi-ionization}}<ref>{{cite web|url=https://goldbook.iupac.org/terms/view/C01044|title=Chemi-ionization|publisher=[[IUPAC]]|accessdate=2023-11-30|archive-date=2023-06-02|archive-url=https://web.archive.org/web/20230602093633/https://goldbook.iupac.org/terms/view/C01044|url-status=live}}</ref>) — образование [[ион]]а в результате реакции [[атом]]а или [[Молекула|молекулы]] газовой фазы с атомом или молекулой в [[Возбуждение (физика)|возбуждённом состоянии]], при этом также могут образовываться новые химические связи<ref name="Klucharev1993">{{статья

|автор = Ключарев А Н
Реакции хемоионизации широко распространены в природе{{sfn|Falcinelli, Farrar, Vecchiocattivi, Pirani|2020|loc=Conspectus}}. Хемоионизация считается основной исходной реакцией в [[Углеводороды|углеводородном]] [[Пламя|пламени]]<ref>{{книга|ref=Лаутон и Вайнберг, Электрические аспекты горения|автор=Лаутон Дж., Вайнберг Ф.|заглавие=Электрические аспекты горения|год=1976|место=М.|издательство=Энергия|страницы=183|страниц=296}}</ref><ref name=":9">{{Источник информации|Q114180311}}</ref>. Она играет значимую роль в процессах, протекающих при горении и в плазме, в области астрохимии (реакции происходят в атмосферах планет и межзвёздном пространстве){{sfn|Falcinelli, Farrar, Vecchiocattivi, Pirani|2020|quote=Despite their important role in fundamental and applied research, combustion, plasmas, and astrochemistry, a unifying description of these basic processes is still lacking.}}<ref>{{Источник информации|ссылка=https://www.nature.com/articles/s42004-023-00830-8|авторы=Stefano Falcinelli, Franco Vecchiocattivi, Fernando Pirani|заглавие=The topology of the reaction stereo-dynamics in chemi-ionizations|дата=2023-02-13|язык=en|издание=Communications Chemistry|том=6|выпуск=1|страницы=1–9|issn=2399-3669|doi=10.1038/s42004-023-00830-8}}</ref>.
|заглавие = Процессы хемоионизации

|ссылка = https://ufn.ru/ru/articles/1993/6/b/
Хемоионизация лежит в основе работы [[Пламенно-ионизационный детектор|пламенно-ионизационного детектора]]{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|p=115}}. Ионизация Пеннинга, созданная пучком метастабильных возбуждённых атомов, используется в некоторых типах [[Ионный источник|ионных источников]] для [[Масс-спектрометрия|масс-спектрометрии]]<ref>[https://books.google.ru/books?id=BlaWBQAAQBAJ&printsec=frontcover&pg=PA23#v=onepage&q&f=false Direct Analysis in Real-Time (DART)]</ref>. Также хемоионизация играет значимую роль в [[Фундаментальные исследования|фундаментальных]] и [[Прикладные исследования|прикладных]] исследованиях{{sfn|Falcinelli, Farrar, Vecchiocattivi, Pirani|2020|quote=Despite their important role in fundamental and applied research, combustion, plasmas, and astrochemistry, a unifying description of these basic processes is still lacking.}}.
|язык = ru
|издание = [[Успехи физических наук]]
|тип = [[Научный журнал]]
|год = 1993
|месяц =
|число =
|том = 163
|номер = 6
|страницы = 39–73
|doi =
|issn =
|archive-date= 2023-11-30
|archive-url = https://web.archive.org/web/20231130052908/https://ufn.ru/ru/articles/1993/6/b/
}}</ref>. Этот процесс чрезвычайно распространён в природе, поскольку считается основной исходной реакцией в [[Пламя|пламени]]<ref>{{книга|автор=Лаутон Дж., Вайнберг Ф.|заглавие=Электрические аспекты горения|место=М.|издательство=Энергия|год=1976|страниц=296|ref=Лаутон и Вайнберг, Электрические аспекты горения|страницы=183}}</ref>.


== Терминология ==
== Терминология ==
В обзорном источнике 1972 года хемоионизация определялась как [[ионизация]] посредством формирования новых [[Химическая связь|химических связей]]. К хемоионизации не относили реакции, в результате которых не образуются новые химические связи, в частности, столкновительную ионизацию к хемоионизации не относили{{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=76}}. Хотя термин в те времена приобрёл определённое специфическое значение, ионизация Пеннинга и некоторые другие типы ионизации тоже иногда в него включались, расширяя значение термина. В статье того же автора в 1974 году высказывалось мнение, что такое расширение значения термина является нежелательным, поскольку он уже приобрёл своё специфическое значение{{sfn|Fontijn|1974|p=288}}.
В литературе 1970-х годов хемоионизация определялась как [[ионизация]] посредством формирования новых [[Химическая связь|химических связей]]. К хемоионизации не относили реакции, в результате которых не образуются новые химические связи, в частности, [[ударная ионизация|ударную ионизацию]] к хемоионизации не относили{{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=76}}. В современной литературе хемоионизация, {{нп5|ионизация Пеннинга|||Penning ionization|}} и ударная [[автоионизация]] часто рассматриваются синонимично в отношении реакций, в ходе которых при столкновении возбуждённого атома или молекулы с другим атомом или молекулой образуется промежуточный возбуждённый комплекс, который затем ионизируется с образованием продуктов, свойственных данным типам реакций<ref>{{Источник информации|Q91644759}}</ref><ref>{{Источник информации|ссылка=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpca.3c00431|авторы=Tobias Sixt, Taewon Chung, Frank Stienkemeier, Katrin Dulitz|заглавие=Symmetry Dependence of the Continuum Coupling in the Chemi-ionization of Li(22S1/2) by He(23S1, 23PJ)|дата=2023-05-15|язык=en|издание=The Journal of Physical Chemistry. a|том=127|выпуск=20|страницы=4407–4414|issn=1089-5639|doi=10.1021/acs.jpca.3c00431|pmid=37184430}}</ref>. В одной из научных статей такой механизм хемоионизации описан как образование квазимолекулы с последующей её автоионизацией<ref>{{Источник информации|Q38559490}}</ref>.


== История ==
Согласно научной статье 2019 года<ref name=":10" /> хемоионизация, [[Эффект Пеннинга|ионизация Пеннинга]] и столкновительная [[автоионизация]] часто рассматриваются синонимично в отношении реакций, в ходе которых при столкновении возбуждённого атома или молекулы с другим атомом или молекулой образуется промежуточный возбуждённый комплекс, который затем ионизируется с образованием продуктов, свойственных данным типам реакций<ref name=":10">{{Источник информации|Q91644759}}</ref><ref name=":11">{{Источник информации|ссылка=https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpca.3c00431|авторы=Tobias Sixt, Taewon Chung, Frank Stienkemeier, Katrin Dulitz|заглавие=Symmetry Dependence of the Continuum Coupling in the Chemi-ionization of Li(22S1/2) by He(23S1, 23PJ)|дата=2023-05-15|язык=en|издание=The Journal of Physical Chemistry. a|том=127|выпуск=20|страницы=4407–4414|issn=1089-5639|doi=10.1021/acs.jpca.3c00431|pmid=37184430}}</ref>. Такой механизм хемоионизации можно описать как образование квазимолекулы{{Sfn|Klyucharev, Zakharov, Matveev et al.|2009|loc=1. Introduction|p=53}} с последующей её автоионизацией<ref name=":12">{{Источник информации|Q38559490}}</ref>. Как столкновительную автоионизацию или ионизацию Пеннинга хемоионизацию обозначают в тех случаях, когда происходит ионизация атома или молекулы за счёт энергии реагента в возбуждённом [[Метастабильное состояние|метастабильном состоянии]]<ref name=":8">{{Источник информации|ссылка=https://books.google.ru/books?id=RSZ_EAAAQBAJ&pg=PA271&hl=en&newbks=1&newbks_redir=0&sa=X&ved=2ahUKEwjgha2jwviEAxXkJxAIHQL_BoEQ6AF6BAgMEAI#v=onepage&f=false|авторы=Marco Parriani, Franco Vecchiocattivi, Fernando Pirani, Stefano Falcinelli|заглавие=Stereo-Dynamics of Autoionization Reactions Induced by Ne*(3P0,2) Metastable Atoms with HCl and HBr Molecules: Experimental and Theoretical Study of the Reactivity Through Selective Collisional Angular Cones|дата=2022|редакторы=Osvaldo Gervasi, Beniamino Murgante, Sanjay Misra, Ana Maria A. C. Rocha, Chiara Garau|язык=en|место=Cham|издание=Computational Science and Its Applications – ICCSA 2022 Workshops|издатель=Springer International Publishing|страницы=270–280|isbn=978-3-031-10562-3|doi=10.1007/978-3-031-10562-3_20}}</ref>.
Впервые хемоионизация была обнаружена в 1927 году в ходе облучения [[Кадмий|кадмия]] светом определённых длин волн, которые превышали длину волны, при которой может происходить ионизация кадмия{{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=79}}. Термин «хемиионизация» возник в конце в конце 1940-х годов в исследованиях горения, пламени и взрыва<ref name="Calcote1948">{{статья
| автор = Calcote H. F.
| заглавие = Electrical properties of flames
| ссылка =
| язык =
| автор издания =
| издание = Symposium on Combustion and Flame, and Explosion Phenomena
| тип = Proceedings
| место =
| издательство =
| год = 1948
| том = 3
| выпуск = 1
| страницы = 245–253
| isbn =
| issn = 1062-2896
| doi = 10.1016/S1062-2896(49)80033-X
| bibcode =
| arxiv =
| pmid =
| jstor =
}}</ref><ref name=":0"/>. Большинство исследований по этой теме было проведено в 1960-х и 70-х годах{{нет АИ|5|03|2024}}. В настоящее время хемоионизация стала одним из методов ионизации, используемых в [[Масс-спектрометрия|масс-спектрометрии]]<ref name="ChenYu2010">{{cite journal|last1=Chen|first1=Lee Chuin|last2=Yu|first2=Zhan|last3=Hiraoka|first3=Kenzo|title=Vapor phase detection of hydrogen peroxide with ambient sampling chemi/chemical ionization mass spectrometry|journal=Analytical Methods|volume=2|issue=7|year=2010|pages=897|issn=1759-9660|doi=10.1039/c0ay00170h}}</ref><ref name="MasonWilliams2004">{{cite journal|last1=Mason|first1=Rod S.|last2=Williams|first2=Dylan R.|last3=Mortimer|first3=Ifor P.|last4=Mitchell|first4=David J.|last5=Newman|first5=Karla|title=Ion formation at the boundary between a fast flow glow discharge ion source and a quadrupole mass spectrometer|journal=Journal of Analytical Atomic Spectrometry|volume=19|issue=9|year=2004|pages=1177|issn=0267-9477|doi=10.1039/b400563p}}</ref>.


== Реакции ==
Процессы хемоионизации, связанные со столкновениями с реагентами в возбуждённом состоянии, отнесены к процессам хемоионизации, имеющим «хемо-» ({{Lang-en|chemi-}}) в своём названии, из-за схожести данных процессов ионизации с химическими реакциями<ref name=":5">{{Источник информации|ссылка=https://arxiv.org/pdf/1206.5117.pdf|авторы=A. A. Mihajlov, V. A. Srećković, Lj. M. Ignjatović, A. N. Klyucharev|заглавие=The Chemi-Ionization Processes in Slow Collisions of Rydberg Atoms with Ground State Atoms: Mechanism and Applications|дата=2012-03-01|язык=en|издание=Journal of Cluster Science|том=23|выпуск=1|страницы=47–75|issn=1572-8862|doi=10.1007/s10876-011-0438-7|s2sic=78f1b79f2c748d763b15dc1b47996530f1e92303}}</ref>. Обратный процесс называется '''хеморекомбинацией''' ({{Lang-en|chemi-recombination}}). При хеморекомбинации образовавшийся после столкновения комплекс иона с атомом присоединяет к себе свободный электрон с образованием атома в возбуждённом состоянии и атома в основном состоянии, то есть тех же компонентов, что могут участвовать в процессе хемоионизации<ref>{{Источник информации|ссылка=http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/10556799908203047|авторы=A. A. Mihajlov, M. S. Dimitrijević, L. J. M. Ignjatović, M. M. Vasilijević|заглавие=Chemi-ionization and chemi-recombination processes in astrophysical plasmas|дата=1999-08|язык=en|издание=Astronomical & Astrophysical Transactions|том=18|выпуск=1|страницы=145–149|issn=1055-6796|doi=10.1080/10556799908203047}}</ref>.
Наиболее распространенную реакцию хемоионизации можно представить как<ref name="VinckierGardner19772">{{статья|автор=Vinckier C., Gardner M. P., Bayes K. D.|заглавие=A study of chemi-ionization in the reaction of oxygen atoms with acetylene|тип издания=[[научный журнал]]|издание=The Journal of Physical Chemistry|том=81|выпуск=23|год=1977|страницы=2137–2143|issn=0022-3654|doi=10.1021/j100538a001|lang=en}}</ref>:
=== Особенности терминологии применительно к масс-спектрометрии ===
{{основная статья|Химическая ионизация}}
В рекомендуемой [[ИЮПАК]] терминологии для [[Масс-спектрометрия|масс-спектрометрии]]{{sfn|ИЮПАК|2013|с=1515}}, термины «хемоионизация» и «[[химическая ионизация]]» имеют разное значение{{sfn|ИЮПАК|2013|с=1530}}. [[Химическая ионизация|Химическая ионизация]] определена как образование нового иона в результате газофазовой реакции нейтрального атома или молекулы с ионом{{sfn|ИЮПАК|2013|с=1530}}. Хемоионизация же определена как ионизация атома или молекулы при взаимодействии с другим возбуждённым атомом или молекулой{{sfn|ИЮПАК|2013|с=1530}}. Например, в применении к [[Масс-спектрометр DART|масс-спектрометру DART]] под хемоионизацией понимается вся совокупность процессов, возникающих в воздухе атмосферного давления с примесью анализируемого вещества при воздействии пучка возбужденных атомов в метастабильном состоянии и приводящих, через ряд реакций (включающий [[пеннинговская ионизация|пеннинговскую ионизацию]] [[азот]]а и примесного [[водяной пар|водного пара]], образование компллексных ионов, перезарядку и т. д.), к образованию различных ионов анализируемого вещества<ref>{{Источник информации|qid издания=Q125845169|заглавие=Chapter 2. Direct Analysis in Real Time (DART®)|авторы=Robert B. Cody, A. John Dane|ссылка=https://books.google.ru/books?id=BlaWBQAAQBAJ&printsec=frontcover&pg=PA23|p=23}}</ref>.


: <chem>O + CH -> HCO+ + e^-</chem>
== Требования по части энергии ==
Испускание электрона в ходе ионизации требует определённых затрат энергии<ref>{{Британника|Q483769|дата обращения=2024-05-03}}</ref>{{sfn|Aquilanti, Volpi|1992|loc=3. Chemi-ionization processes|p=71-72}}, которые могут быть достаточно большими{{sfn|Aquilanti, Volpi|1992|loc=3. Chemi-ionization processes|p=71-72}}. Для того, чтобы ионизация в результате столкновения произошла, энергия, необходимая для неё, в том или ином виде должна присутствовать в самих реагентах, либо должна выделяться в ходе сопутствующей химической реакции, если такая имеет место. В атомах и молекулах необходимая энергия может присутствовать в форме возбуждённого состояния. В молекулах альтернативно энергия может быть в виде колебательного возбуждения молекулы{{sfn|Aquilanti, Volpi|1992|loc=3. Chemi-ionization processes|p=71-72}}. В случае экзотермических химический реакций высвободившаяся энергия может быть преобразована молекулой в энергию внутреннего колебательного возбуждения и затем привести к ионизации при условии, что энергии для этого достаточно<ref>{{Источник информации|qid издания=Q125738588|заглавие=Chapter 3. Instrumental Aspects of Gas Chromatography|ссылка=https://www.google.ru/books/edition/Chromatography_Today/ULOd8AdW5McC?hl=en&gbpv=1&pg=PA262&printsec=frontcover|страницы=262}}</ref>.


Эта реакция присутствует в любом углеводородном пламени и может объяснить отклонение количества ионов от [[Термодинамическое равновесие|термодинамического равновесия]]<ref name="FontijnMiller1965">{{Cite journal|author=Fontijn|first=A.|title=Chemi-ionization and chemiluminescence in the reaction of atomic oxygen with C2H2, C2D2, and C2H4|journal=Symposium (International) on Combustion|volume=10|issue=1|year=1965|pages=545–560|issn=0082-0784|doi=10.1016/S0082-0784(65)80201-6}}</ref>.
== Реакции ==
=== Реакции с образованием новых химических связей ===


Затем могут происходить реакции хемоионизации B-типа:
В обзорном источнике 1972 года к реакциям хемоионизации относили только те реакции, в ходе которых образуются новые химические связи. К хемоионизации были отнесены ассоциативная и реакция с перемещением [[Компоненты (термодинамика)|компонентов]] реакции{{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=76}}.


: <chem>HCO+{} + e^- -> \binom{H3O+}{C3H3} + M -> M+{} + products </chem>,
Ассоциативная ионизация{{sfn|Fontijn|1974|loc=Eq.(1)|p=287}}:<chem display="block">A + B -> AB^+{} + e^-</chem>Реакция с переносом атома или группы атомов (в случае которой возможно образование отрицательного иона вместе с положительным){{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=76}}:<chem display="block">A + BC -> AB^+{} + C{} + e^-</chem><chem display="block">A + BC -> AB^+{} + C^-</chem>


а также:
=== Реакции с участием реагента в возбуждённом состоянии ===
Если энергии возбуждённого состояния достаточно для способствования образованию иона в числе конечных продуктов, хемоионизацию с участием реагента в возбуждённом в общем виде состоянии можно записать следующим образом{{sfn|Falcinelli, Farrar, Vecchiocattivi, Pirani|2020|loc=Conspectus}}:<chem display="block">X^\ast{} + M{} -> {(X{} ... M{})}^\ast -> {[{(X{}^+ ... M)} <-> {(X{} ... M^+)}]}^e^- ->{(X{} ... M{})}^+ + e{}^- -> \text{конечные}\ \text{продукты}</chem>В случае образования новой химической связи через объединение реагентов (ассоциацию) реакция хемоионизации относится к [[Ассоциативная ионизация|ассоциативной ионизации]]{{sfn|Fontijn|1974|loc=I. Introduction|p=287}}{{sfn|Mihajlov, Srećković, Ignjatović, Klyucharev|2012|loc=Introduction: Chemi-Ionization Processes in Thermal Atom-Rydberg Atom Collisions|p=3}}:
<chem display="block">A^\ast{} + A -> A2+{} + e^-</chem><chem display="block">A^\ast{} + B -> AB^+{} + e^-</chem>Если в ходе хемоионизации происходит лишь передача энергии возбуждённого состояния, то такая реакция называется [[Ионизация Пеннинга|ионизацией Пеннинга]]{{sfn|Fontijn|1974|loc=I. Introduction|p=288}}{{sfn|Mihajlov, Srećković, Ignjatović, Klyucharev|2012|loc=Introduction: Chemi-Ionization Processes in Thermal Atom-Rydberg Atom Collisions|p=3}}:<chem display="block">A^\ast{} + B -> A{} + B^+{} + e^-</chem>Ионизация Пеннинга возможна в том случае, когда потенциал ионизации реагента B меньше энергии возбуждённого состояния реагента A<ref name=":2" />.


: <chem>CH{} + O{} + M -> CHO{} + M^\ast -> M{} + \mathit{hv}</chem>,


где M* — металл в возбужденном состоянии. В ходе реакций хемоионизации выделяются кванты света, отчасти поэтому пламя светится<!-- другая причина свечения пламени это тепловое излучение (см. Абсолютно чёрное тело) --><ref name="Sugden1962">{{cite journal|last1=Sugden|first1=T M|title=Excited Species in Flames|journal=Annual Review of Physical Chemistry|volume=13|issue=1|year=1962|pages=369–390|issn=0066-426X|doi=10.1146/annurev.pc.13.100162.002101|bibcode = 1962ARPC...13..369S }}</ref>.
Если же энергии возбуждённого состояния реагента не хватает для ионизации, то такая реакция может называться столкновительной ионизацией<ref name=":2">{{Источник информации|Q125298573}}</ref>:
<chem display="block">A^\ast{} + A -> A{} + A^+{} + e^-</chem>

== Сравнение хемоионизации и хемилюминесценции ==
Хемоионизация в некоторой степени схожа с [[Хемилюминесценция|хемилюминесценций]] (происходит столкновение двух реагентов с образованием возбуждённого комплекса){{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=77}}:
<chem display="block">A{} + B -> {(A...B)}^\ast -> AB^+{} + e^-</chem>
<chem display="block">A{} + B -> {(A...B)}^\ast -> AB{} + \mathit{hv}</chem>В случае простых ассоциативных реакций хемоионизация и хемилюминесценция различаются своей [[Химическая кинетика|кинетикой]] и, соответственно, конечными продуктами реакции. В обоих случаях после столкновения образуется комплекс <chem>(AB)^\ast</chem> в возбуждённом состоянии. Время жизни комплекса составляет обычно порядка 10<sup>-13</sup> с, после чего происходит [[Диссоциация (химия)|диссоциация]] комплекса на исходные компоненты A и B. Однако если есть вероятность ионизации, то эффективность такой реакции достаточно высока. В случае же хемилюминесценции комплекс <chem>(AB)^\ast</chem> может стабилизироваться после спонтанной потери энергии вследствие излучения [[Фотон|фотона]]. Однако для излучения фотона требуется в среднем порядка 10<sup>-8</sup> с, что намного больше среднего времени жизни комплекса. Поэтому эффективность реакции в случае хемилюминесценции оказывается очень низкой{{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=77}}.


== Хемоионизация в пламени ==
== Хемоионизация в пламени ==
{{Заготовка раздела}}
[[Файл:Изменение температуры и степени ионизации в пламени.png|thumb|300px|Распределение температуры (в Кельвинах) и концентрации ионов (в единицах <math>10^{10}</math> см<sup>-3</sup>) в пламени при переходе от исходных реагентов (слева) через «светящуюся»{{efn|Голубое свечение из зоны реакции в пламени указывает на повышенную концентрацию [[радикал (химия)|радикалов]] и атомов{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|p=111}}}} зону реакции к продуктам сгорания (справа){{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|loc=Рис. 6.6. Профиль ионной плотности в плазме|p=114}}. Из-за [[градиент]]а температуры слева от зоны реакции возникает [[теплопроводность|поток тепла]]{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995||p=107}}, который нагревает исходные реагенты до высокой температуры (>1000 К). Из-за [[пиролиз]]а в зоне реакции образуются [[радикал (химия)|радикалы]]{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995||p=107}} - исходные реагенты хемоинизации. За зоной реакции ионизация быстро спадает{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995| quote=The extents of ionisation are greatest in the reaction zone and fall off in the burned gases|p=113}}]]
[[Горение]] [[углеводород]]ов сопровождается ионизацией пламени посредством хемоионизации, в результате чего в пламени возникает высокая концентрация заряжённых частиц. Данный факт позволяет воздействовать на пламя посредством внешнего электрического поля<ref>{{Источник информации|авторы=V. S. Venediktov, P. K. Tretyakov, A. V. Tupikin|заглавие=Hydrocarbon flame in non-stationary electric field|язык=en|ссылка=https://pubs.aip.org/aip/acp/article/2027/1/040014/928298/Hydrocarbon-flame-in-non-stationary-electric-field|издание=AIP Conf. Proc.|issn=1551-7616|том=2027|выпуск=1|дата=2018-10-02|doi=10.1063/1.5065288}}</ref>.
Исследования ионизации в [[пламя|пламени]] были мотивированы тем фактом, что наблюдаемая концентрация ионов в [[углеводород]]ном пламени в отсутствие примесей обычно составляет <math>\sim10^{11}</math> см<sup>-3</sup>, намного больше, чем определяемая согласно [[Уравнение Саха|уравнению Саха]]{{sfn|Calcote H. F.|1972|loc=3.1. Thermal Ionization|p=679}} [[термодинамическое равновесие|равновесная]] ионизация{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|p=113}}. Исследования показали, что, поскольку [[горение]] сопровождается значительным повышением концентрации [[радикал (химия)|радикалов]] и возбуждённых молекул в зоне реакции в пламени, реакции хемоинизации с их участием могут объяснить высокую [[степень ионизации]]{{sfn|Calcote H. F.|1972|p=680}}{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|p=113}}, особенно при горении органических веществ, в то время как при высокотемпературном горении легко ионизируемых щелочных и щелочноземельных металлов можно ожидать, что ионизация будет происходить в основном за счёт термической ионизации<ref>{{Британника|Q133235|ссылка=https://www.britannica.com/science/combustion/Special-aspects|lang=en|website=www.britannica.com|дата обращения=2024-03-16}}</ref>.

Степень ионизации при горении углеводородов достигает максимума в зоне реакции пламени (где происходят реакции горения) и уменьшается в продуктах горения. Наибольший вклад в неё вносит положительный ион <chem>H3O^+{}</chem>, хотя могут также возникать [[полимер]]ные ионы C<sub>n</sub>H<sub>n</sub><sup>+</sup> с различным n, а также небольшое количество <chem>HCO^+{}</chem>, отрицательных ионов и свободные электроны{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|p=113}}. Хемоионизация происходит в результате реакции{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|loc=Eq.(6.48)|p=113}}
<chem display="block">CH{}+ O{} -> HCO^+{} + e^-</chem>
Полимерные ионы образуются в реакции{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|loc=Eq.(6.49)|p=113}}<chem display="block">CH{}+C2H2{}->H3C3^+{}+e^-</chem>
Образующийся в первой реакции ион <chem>HCO^+{}</chem> [[реакция обмена|обменивается]] [[протон]]ом с молекулами, обладающими бо{{удар}}льшим [[химическое сродство|сродством]] к протону, чем у CO, например с <chem>H2O{}</chem>{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|loc=Eq.(6.50)|p=113}}:
<chem display="block">HCO^+{}+H2O{}->H3O^+{}+CO{}</chem>
Поскольку концентрации [[радикал (химия)|химических радикалов]] в зоне реакции пламени намного превышает значения в термодинамическом равновесии, концентрация образующихся из них ионов также существенно превышает термодинамически равновесную{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|p=113-114}}. За зоной реакции ионизация начинает уменьшаться за счёт [[рекомбинация (химия)|рекомбинации]]{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|loc=Eqs.(6.51-2)|p=114}}<br><chem>H3O^+{}+e^- ->H{}+H{}+OH{}</chem>, и, в меньшей степени, <chem>H3O^+{}+e^- ->H2O{}+H{}</chem>
[[Файл:Changes in flame shape under the influence of electric field.webp|мини|Изменения формы пламени при воздействии на него электрического поля, являющееся следствием процессов хемоионизации в пламени<ref>{{Источник информации|Q125511313}}</ref>:<br>1 — обычное пропановое пламя;<br>2 — приложение отрицательного напряжения к электроду; 3 — приложение положительного напряжения к электроду.]]
В водородо-кислородном пламени (без примесей) хемоионизация не происходит из-за отсутствия углерода. Такое без-ионное пламя является основой [[пламенно-ионизационный детектор|пламенно-ионизационного детектора]], широко используемого в [[газовая хроматография|газовой хроматографии]]. Если исследуемое вещество содержит углеводород, его попадание в пламя приведёт к образованию ионов, которое регистрируется при измерению ионного тока{{sfn|Griffiths J. F., Barnard J. A.|1995|p=115}}

Высокая концентрация заряжённых частиц в углеводородном пламени также позволяет воздействовать на пламя посредством внешнего [[Электрическое поле|электрического поля]]<ref name=":1">{{Источник информации|авторы=V. S. Venediktov, P. K. Tretyakov, A. V. Tupikin|заглавие=Hydrocarbon flame in non-stationary electric field|язык=en|ссылка=https://pubs.aip.org/aip/acp/article/2027/1/040014/928298/Hydrocarbon-flame-in-non-stationary-electric-field|издание=AIP Conf. Proc.|issn=1551-7616|том=2027|выпуск=1|дата=2018-10-02|doi=10.1063/1.5065288}}</ref>. В ходе экспериментов было обнаружено, что при приложении к углеводородному пламени электрического поля, пламя отклоняется в сторону. [[Напряжённость электрического поля|Напряжённость]] же поля влияла на интенсивность горения, на форму пламени и на время затухания пламени<ref>{{Источник информации|ссылка=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001021801500396X|авторы=Advitya Patyal, Dimitrios Kyritsis, Moshe Matalon|заглавие=Electric field effects in the presence of chemi-ionization on droplet burning|язык=en|дата=2016-02-01|издание=Combustion and Flame|том=164|страницы=99–110|issn=0010-2180|doi=10.1016/j.combustflame.2015.11.005}}</ref>.

== Практическое применение ==
Хемоионизация в пламени лежит в основе работы [[Пламенно-ионизационный детектор|пламенно-ионизационного детектора]], позволяющего определять наличие органических веществ и осуществлять их количественный анализ<ref name=":9" />.

== История ==
Впервые хемоионизация была обнаружена в 1927 году в ходе облучения [[Цезий|цезия]] светом с определённой длиной волны, которая превышала длину волны, при которой возможна [[фотоионизация]], но совпадала с какой-то из длин волн основной серии линий поглощения. Возбуждённый при поглощении света атом <chem>Cs^\ast{}</chem> соединялся с невозбуждённым, при этом образовывались положительный ион и электрон <chem>Cs^\ast{}+Cs{}->Cs_2^+{}+e^-</chem>. В дальнейшем подобная ассоциативная реакция хемоионизации была достоверно подтверждена в в 1936 году в ходе масс-спектрометрического исследования образования ионов Hg<sub>2</sub><sup>+</sup> с участием атомов Hg<sup>*</sup> в возбуждённом состоянии{{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=79}}{{sfn|Fontijn|1974}}<!-- Второй источник указан по тому, что называется ассоциативной реакцией для тех, у кого могут быть сложности с терминологией. -->.

Термин «хемоионизация» возник в конце в конце 1940-х годов в исследованиях горения, пламени и взрыва<ref name="Calcote1948">{{статья|ссылка=|автор=Calcote H. F.|заглавие=Electrical properties of flames|год=1948|язык=|автор издания=|место=|издание=Symposium on Combustion and Flame, and Explosion Phenomena|издательство=|тип=Proceedings|том=3|выпуск=1|страницы=245–253|isbn=|issn=1062-2896|doi=10.1016/S1062-2896(49)80033-X|bibcode=|arxiv=|pmid=|jstor=}}</ref><ref name=":0" />. Впервые данный термин был использован Харвеллом Калькотом для объяснения ионизации пламени{{sfn|Fontijn|1972|loc=Introduction|p=79}}. В 1949 году Харвелл Калькот обратил внимание на большое количество ионов, образующихся в зоне реакции пламени, заключив, что это происходило из-за хемоионизации<ref name=":9" />. Периодическое же появление научных публикаций по теме хемоионизации началось в 1970-х годах{{sfn|Ключарев|1993|loc=1. Введение|с=39}}. По состоянию на 2020 год единое обобщающее описание процессов хемоионизации всё ещё отсутствовало{{sfn|Falcinelli, Farrar, Vecchiocattivi, Pirani|2020|quote=Despite their important role in fundamental and applied research, combustion, plasmas, and astrochemistry, a unifying description of these basic processes is still lacking.}}.

== См. также ==
* [[Хемилюминесценция]]


== Примечания ==
== Примечания ==
{{Примечания}}
=== Комментарии ===
{{Комментарии}}


=== Источники ===
{{Примечания}}
== Литература ==
== Литература ==
* {{Источник информации
|ссылка = https://ufn.ru/ru/articles/1993/6/b/
|авторы = А. Н. Ключарев
|заглавие = Процессы хемоионизации
|дата = 1993
|язык = ru
|издание = [[Успехи физических наук]]
|тип = [[Научный журнал]]
|том = 163
|выпуск = 6
|страницы = 39–73
|дата архивирования = 2023-11-30
|архивная ссылка = https://web.archive.org/web/20231130052908/https://ufn.ru/ru/articles/1993/6/b/
|ref = Ключарев
}}
* {{Источник информации
* {{Источник информации
|ссылка = https://books.google.com/books?id=4dmNDAAAQBAJ&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA76&hl=en
|ссылка = https://books.google.com/books?id=4dmNDAAAQBAJ&newbks=0&printsec=frontcover&pg=PA76&hl=en
Строка 101: Строка 86:
|isbn = 978-1-4831-4612-6
|isbn = 978-1-4831-4612-6
|ref = Fontijn
|ref = Fontijn
}}
* {{Источник информации
|ссылка = https://www.degruyter.com/document/doi/10.1351/pac197439030287/html?lang=en
|авторы = Arthur Fontijn
|заглавие = Recent progress in chemi-ionization kinetics
|дата = 1974-01-01
|язык = en
|издание = Pure and Applied Chemistry
|том = 39
|выпуск = 3
|страницы = 287–306
|issn = 1365-3075
|doi = 10.1351/pac197439030287
|ref = Fontijn
}}
* {{книга|ссылка часть =https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-1-4684-1938-2_8|автор= Calcote H. F.|часть=Ions in Flames|год=1972|ответственный= Ed: J. L. Franklin|язык=en|заглавие=Ion-Molecule Reactions|том=2|издательство=Plenum Press|место=New York|страницы=679-680|страниц=755|isbn=978-1-4684-1938-2|doi=10.1007/978-1-4684-1938-2_8|ref= Calcote H. F.}}
* {{Источник информации
|ссылка = https://arxiv.org/pdf/1206.5117.pdf
|авторы = A. A. Mihajlov, V. A. Srećković, Lj. M. Ignjatović, A. N. Klyucharev
|заглавие = The Chemi-Ionization Processes in Slow Collisions of Rydberg Atoms with Ground State Atoms: Mechanism and Applications
|дата = 2012-03-01
|язык = en
|издание = Journal of Cluster Science
|том = 23
|выпуск = 1
|страницы = 47–75
|issn = 1572-8862
|doi = 10.1007/s10876-011-0438-7
|s2sic = 78f1b79f2c748d763b15dc1b47996530f1e92303
|ref = Mihajlov, Srećković, Ignjatović, Klyucharev
}}
* {{Источник информации|Q29541795
|ref = Venter, Nefliu, Graham Cooks
}}
* {{Источник информации
|ссылка = http://www.nrcresearchpress.com/doi/10.1139/v88-353
|авторы = John M. Goodings, Quang Tran, Nicholas S. Karellas
|заглавие = Ion chemistry of transition metals in hydrocarbon flames. II. Cations of Sc, Ti, V, Cr, and Mn
|дата = 1988-09-01
|язык = en
|издание = Canadian Journal of Chemistry
|том = 66
|выпуск = 9
|страницы = 2219–2228
|issn = 0008-4042
|doi = 10.1139/v88-353
|ref = Goodings, Tran, Karellas
}}
* {{Источник информации|Q99545218
|ref = Falcinelli, Farrar, Vecchiocattivi, Pirani
}}
* {{книга
|автор= Griffiths J. F., Barnard J. A.
|часть=6.7. Ionisation Processes
|ссылка часть=https://books.google.ru/books?id=RPSDDwAAQBAJ&pg=PA115&hl=en&newbks=1&newbks_redir=0&sa=X&ved=2ahUKEwjSiLKkpfmEAxWYIhAIHXihDxcQ6AF6BAgNEAI#v=onepage&f=false
|заглавие=Flame and Combustion
|год=1995
|doi=10.1201/9780203755976
|язык=en
|место=Boca Raton, London, New York
|издание=3rd edn|издательство=Taylor & Francis
|страницы=112-116
|страниц=328
|isbn=978-1-351-44843-7
|ref= Griffiths J. F., Barnard J. A.}}
* {{статья|автор=Murray, Kermit K., Boyd, Robert K., Eberlin, Marcos N., Langley, G. John, Li, Liang and Naito, Yasuhide|заглавие=Definitions of terms relating to mass spectrometry (IUPAC Recommendations 2013)|издание=Pure and Applied Chemistry|тип=[[Научный журнал]]|том=85|номер=7|год=2013|страницы=1515-1609|doi=10.1351/PAC-REC-06-04-06|язык=en|ref=ИЮПАК}}
* {{Источник информации|Q125365234
|ссылка = https://www.researchgate.net/publication/247161918_Chemi-ionization_-_Experiment_theories_geocosmical_perspectives
|ref = Klyucharev, Zakharov, Matveev et al.
}}
* {{Источник информации
|qid издания = Q125491026
|ссылка = https://books.google.ru/books?id=7YNIDwAAQBAJ&pg=PA71
|авторы = V. Aquilanti, G. G. Volpi
|заглавие = Molecular beam studies of the dynamics of elementary chemical processes
|страницы = 67−81
|ref = Aquilanti, Volpi
}}
}}


=== Дополнительная литература ===

* {{Источник информации
|заглавие = Глава 5. Процессы хемоионизации
|ссылка = https://books.google.ru/books?redir_esc=y&id=YfJeDwAAQBAJ&pg=PA99#v=onepage&q&f=false
|qid издания = Q125394917
|ref = Ключарев, Безуглов
}}

== Ссылки ==

* {{YouTube|id=L51kg_n2PYo|lang=en|title=Пламя рождественской свечи в электрическом поле}}
{{ВС}}
{{ВС}}



[[Категория:Ионизация]]
[[Категория:Ионизация]]

Текущая версия от 08:04, 10 мая 2024

Ионизация наиболее интенсивно происходит у основания пламени[1]

Хемоионизация[3] (хемиионизация[2]; англ. Chemi-ionization[4]) — образование иона в результате реакции атома или молекулы газовой фазы с атомом или молекулой в возбуждённом состоянии, при этом также могут образовываться новые химические связи[3]. Этот процесс чрезвычайно распространён в природе, поскольку считается основной исходной реакцией в пламени[5].

Терминология[править | править код]

В литературе 1970-х годов хемоионизация определялась как ионизация посредством формирования новых химических связей. К хемоионизации не относили реакции, в результате которых не образуются новые химические связи, в частности, ударную ионизацию к хемоионизации не относили[6]. В современной литературе хемоионизация, ионизация Пеннинга[англ.]* и ударная автоионизация часто рассматриваются синонимично в отношении реакций, в ходе которых при столкновении возбуждённого атома или молекулы с другим атомом или молекулой образуется промежуточный возбуждённый комплекс, который затем ионизируется с образованием продуктов, свойственных данным типам реакций[7][8]. В одной из научных статей такой механизм хемоионизации описан как образование квазимолекулы с последующей её автоионизацией[9].

История[править | править код]

Впервые хемоионизация была обнаружена в 1927 году в ходе облучения кадмия светом определённых длин волн, которые превышали длину волны, при которой может происходить ионизация кадмия[10]. Термин «хемиионизация» возник в конце в конце 1940-х годов в исследованиях горения, пламени и взрыва[11][2]. Большинство исследований по этой теме было проведено в 1960-х и 70-х годах[источник не указан 80 дней]. В настоящее время хемоионизация стала одним из методов ионизации, используемых в масс-спектрометрии[12][13].

Реакции[править | править код]

Наиболее распространенную реакцию хемоионизации можно представить как[14]:

Эта реакция присутствует в любом углеводородном пламени и может объяснить отклонение количества ионов от термодинамического равновесия[15].

Затем могут происходить реакции хемоионизации B-типа:

,

а также:

,

где M* — металл в возбужденном состоянии. В ходе реакций хемоионизации выделяются кванты света, отчасти поэтому пламя светится[16].

Хемоионизация в пламени[править | править код]

Горение углеводородов сопровождается ионизацией пламени посредством хемоионизации, в результате чего в пламени возникает высокая концентрация заряжённых частиц. Данный факт позволяет воздействовать на пламя посредством внешнего электрического поля[17].

Примечания[править | править код]

  1. http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:20787/FULLTEXT01.pdf
  2. 1 2 3 Соловьев Л. А., Каденцев В. И., Чижов О. С. Масс-спектроскопия с химической ионизацией // Успехи химии : научный журнал. — 1979. — Т. 48, вып. 7. — С. 1180—1207.
  3. 1 2 Ключарев А Н. Процессы хемоионизации // Успехи физических наук : Научный журнал. — 1993. — Т. 163, № 6. — С. 39–73.
  4. Chemi-ionization. IUPAC. Дата обращения: 30 ноября 2023. Архивировано 2 июня 2023 года.
  5. Лаутон Дж., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения. — М.: Энергия, 1976. — С. 183. — 296 с.
  6. Fontijn, 1972, Introduction, p. 76.
  7. A New Insight on Stereo-Dynamics of Penning Ionization Reactions : [англ.] / Stefano Falcinelli, Fernando Pirani, Pietro Candori [et al.] // Frontiers in chemistry[d]. — 2019, 18 June. — Vol. 7. — P. 445. — ISSN 2296-2646. — doi:10.3389/fchem.2019.00445. — PMID 31275926. — WD Q91644759.
  8. Symmetry Dependence of the Continuum Coupling in the Chemi-ionization of Li(22S1/2) by He(23S1, 23PJ) : [англ.] / Tobias Sixt, Taewon Chung, Frank Stienkemeier, Katrin Dulitz // The Journal of Physical Chemistry. a. — 2023, 15 May. — Vol. 127, iss. 20. — P. 4407–4414. — ISSN 1089-5639. — doi:10.1021/acs.jpca.3c00431. — PMID 37184430.
  9. Diethard K Böhme. Fullerene ion chemistry: a journey of discovery and achievement : [англ.] // Philosophical Transactions of the Royal Society A[d]. — 2016, 1 September. — Vol. 374, iss. 2076. — ISSN 1364-503X, 1471-2962, 0080-4614, 0962-8428, 2054-0299. — doi:10.1098/rsta.2015.0321. — PMID 27501972. — WD Q38559490.
  10. Fontijn, 1972, Introduction, p. 79.
  11. Calcote H. F. Electrical properties of flames // Symposium on Combustion and Flame, and Explosion Phenomena : Proceedings. — 1948. — Т. 3, вып. 1. — С. 245–253. — ISSN 1062-2896. — doi:10.1016/S1062-2896(49)80033-X.
  12. Chen, Lee Chuin; Yu, Zhan; Hiraoka, Kenzo (2010). "Vapor phase detection of hydrogen peroxide with ambient sampling chemi/chemical ionization mass spectrometry". Analytical Methods. 2 (7): 897. doi:10.1039/c0ay00170h. ISSN 1759-9660.
  13. Mason, Rod S.; Williams, Dylan R.; Mortimer, Ifor P.; Mitchell, David J.; Newman, Karla (2004). "Ion formation at the boundary between a fast flow glow discharge ion source and a quadrupole mass spectrometer". Journal of Analytical Atomic Spectrometry. 19 (9): 1177. doi:10.1039/b400563p. ISSN 0267-9477.
  14. Vinckier C., Gardner M. P., Bayes K. D. A study of chemi-ionization in the reaction of oxygen atoms with acetylene (англ.) // The Journal of Physical Chemistry. — 1977. — Vol. 81, iss. 23. — P. 2137–2143. — ISSN 0022-3654. — doi:10.1021/j100538a001.
  15. Fontijn, A. (1965). "Chemi-ionization and chemiluminescence in the reaction of atomic oxygen with C2H2, C2D2, and C2H4". Symposium (International) on Combustion. 10 (1): 545—560. doi:10.1016/S0082-0784(65)80201-6. ISSN 0082-0784.
  16. Sugden, T M (1962). "Excited Species in Flames". Annual Review of Physical Chemistry. 13 (1): 369—390. Bibcode:1962ARPC...13..369S. doi:10.1146/annurev.pc.13.100162.002101. ISSN 0066-426X.
  17. Venediktov V. S. Hydrocarbon flame in non-stationary electric field : [англ.] / V. S. Venediktov, P. K. Tretyakov, A. V. Tupikin // AIP Conf. Proc. — 2018, 2 October. — Vol. 2027, iss. 1. — ISSN 1551-7616. — doi:10.1063/1.5065288.

Литература[править | править код]