 
        
        книги из ГПНТБ / Харт Э. Гидратированный электрон
.pdfГ Л А В А 3
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРАТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОНА
| 
 | Электроны в различной степени претерпевают | сольватацию | ||||
| во | всех | жидкостях. | В | иеполярных жидкостях, | образованных | |
| атомами или молекулами с замкнутыми электронными | оболочка | |||||
| ми | (Не, | Ne, Ar, Н 2 ), | электронно-атомные и электронно-молеку | |||
| лярные | взаимодействия | слабые. Ближиедействующие | силы от | |||
талкивания между квазисвободным электроном и связанными электронами частично компенсируются дальнодействующими по ляризационными силами. В полярных жидкостях наряду с эти
| ми | взаимодействиями | существуют значительно | превосходящие | |
| их | ближиедействующие | силы отталкивания | между электроном | |
| и средой, которые ориентируют молекулы | растворителя вокруг | |||
| электрона и тем самым | вызывают образование | «полости». | ||
В этой главе дана сводка физических свойств сольватированных электронов, образующихся в жидкой воде, льду, аммиаке и в меньшей степени других полярных жидкостях. Естественно, что физические свойства всех таких сольватированных элект
| ронов аналогичны. То, что после открытия | [462] и идентифика | |
| ции [300] электрона, сольватированного в | аммиаке (s^H), | о | 
нем было накоплено большое число данных, очень помогло нам сделать выводы о структуре e~q. Следует также отметить ана логию между свойствами е~ и F-центров, а также захваченных ejr и подвижных е~ электронов во льду. Однако подробного обзора по этим вопросам здесь нет и рассматриваются только те особенности, которые полезны для понимания природы и свойств е~д. В этой главе основное внимание уделяется ре зультатам, полученным при изучении спектров поглощения, спектров электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и из мерениях электропроводности. Обсуждаются также термодина мические свойства е~ , его размеры и, наконец, его структура,
основанная на нескольких предложенных моделях.
З.і. СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ
Из материала, изложенного в гл. 2, видно, что изучение спектров поглощения сыграло важную роль в идентификации е~ как второго восстановителя в облученной воде. Эта иден-
50
тификация была основана на сходстве интенсивного короткоживущего спектра поглощения е~д со спектром поглощения ej^H j , а также на том, что указанное поглощение исчезает в присутст
| вии некоторых растворенных веществ | (особенно СЬ, N 2 0 и СО2). | 
| После 1962 г. о спектре поглощения | е~ и сольватированных | 
электронов было накоплено много новых сведений. Как будет видно из дальнейшего, спектр е~ зависит от свойств окружаю щей среды, так же как и спектры других сольватированных электронов.
Сопоставление со спектрами других сольватированных электронов
Сольватированные электроны имеют одиночные, интенсив ные, бесструктурные полосы поглощения, простирающиеся от ультрафиолетовой в инфракрасную область. Примеры таких спектров приведены на рис. 3.1—3.8.
| Сопоставление | некоторых | оптических | свойств е^ Н з | с е ~ | в | 
| жидкой воде и льду сделано в табл. 3.1 | [240]. | 
 | 
 | ||
| Спектры поглощения этих частиц показаны на рис. 3.1, где | |||||
| дана зависимость молярного коэффициента экстинкции | от энер | ||||
| гии (эв) и длины | волны (нм). | Считается | общепризнанным, | что | |
Т а б л и ц а 3.1
Оптические свойства некоторых сольватированных электронов
| 
 | Условия | опыта и | 
 | ч | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| свойства электронов | 
 | 
 | 
 | 
 | e N H 3 | |||||
| Растворитель | °С | 
 | 
 | н 2 о | Н 2 0 | Н 2 0 | 10 M NaOH | NH 3 | ||
| Температура, | 
 | 
 | 25 | — 194 | —10 | —194 | —48 | |||
| Максимум | поглощения, | 
 | 715 | 630 | 680 | 586 | 1400 | |||
| нм* | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Максимум | поглощения, | 
 | 1,73 | 1,97 | 1,82 | 2,12 | 0,885 | |||
| эв* | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 1,85 | 1,7 | — | 1,9 | 5 | 
| Вмакс . | І 0 * | М-1-СМ-1* | 
 | |||||||
| hi | 
 | 
 | эв/град | 
 | 
 | —2,9 | — | - 1 , 1 | — | - 1 , 1 | 
| d—, К ) - 3 | 
 | 
 | ||||||||
| аТ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Полуширина, | эв* | 
 | 
 | 0,93 | 0,29 | 0,61 | 0,98 | 0,46 | ||
| Сила | осциллятора | 
 | 
 | 0,71 | — | — | - 0 , 7 | 0,77 | ||
| me/m0 | ф » | 
 | 
 | 
 | 
 | 1,58 | — | — | — | 1,87 | 
| me/m0 | * * * | 
 | 
 | 
 | 1,00 | — | — | — | 1,72 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| Выход, | е~/100 эв | 
 | 
 | 2,7 | 2 - Ю - 4 | 0,3 | 1,9—3,0 | • — | ||
| 
 | * | Данные взяты | из-рис. 3 . 1 . | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| • * | См. (Ьормулу | (3 . 2) , | стр . | 79. | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| * * * | См. формулу | ( 3 . 3 ) , | стр . | 79. | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
4* 51
эти широкие асимметричные полосы возникают в результате
| перехода | электрона | из основных | 1 s-состояний | в | возбужденные | |||||||||||||
| 2 р-состояния [269, | 273, | 274, | 361]. Эти | 
 | спектры | поглощения | ||||||||||||
| обладают | многими | свойствами, | характерными | для | 
 | спектров | ||||||||||||
| f-центров | [90]. Для | аммиака, | воды, | чистого | и щелочного | льдов | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Рис. 3.1. Спектры поглощения соль- | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | Л,нм | ватированиых | и | захваченных элект | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | ронов в аммиаке, воде, кристалличе | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ском | льду | и | стеклообразном | 10 M | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | растворе КОН. Спектры в кристалли | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ческом | льду | (при —10° С) | и | Н 2 0 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | (при | 25° С) | получены | методом им | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | пульсного | 
 | радиолиза. Молярный ко | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | эффициент | экстинкцни | е | (е^Г ) | Д л я | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | кристаллического | 
 | льда | 
 | вычислен в | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | предположении, | что | сила | осциллято | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ра для ej~r равна 0,65. | 
 | При 313° С | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | коэффициент экстинкцни е (е^ ) при | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Ariane | 
 | произвольно | принят | равным | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 5000 М - ' - сиі - 1 : | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | / — спектр | в NH] при —48° С [206]; 2 — Н-О | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | при | 25° С | |!84, | 239]: | 3 — 10 /И КОН | при | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | - 1 9 4 ° С | [176]; | 4 — Н 2 | 0 | при | 
 | —194° С | Г1691; | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 5 — Н 2 | 0 | при —10° С | [3541; | 6 — НзО | при | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 313° С | 
 | [337]. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| максимумы полос лежат | соответственно | 
 | при | 1400, 715, | 630 и | |||||||||||||
586 нм. Интенсивность полос быстро возрастает со стороны низ
| ких | энергий, спад ее со стороны высоких энергий происходит | ||
| более медленно. Положение | максимума полосы £ ( А , м а К с ) | явля | |
| ется | мерой разности энергий | основного и возбужденного | состоя | 
ний. Ширина полосы определяет относительное смещение ос новного и возбужденного состояний и служит мерой несвязан ности возбужденного состояния [263].
При ?ь<210 нм е~ , по-видимому, имеет вторую полосу по
| глощения, положение А-макс которой | не установлено [353]. Эта | |||
| полоса | аналогична ß-полосе /-"-центров [152, 153]. Она, вероятно, | |||
| вызывается сдвигом в красную часть | спектра | фундаментальной | ||
| полосы | поглощения жидкой | воды, | который | обусловлен е~ . | 
| В других жидкостях подобная | полоса пока не наблюдалась. | |||
Независимость от способа генерации
Спектр е^ Н з не зависит от способа генерации электрона. Все щелочные и некоторые щелочноземельные металлы окрашивают аммиак в интенсивный синий цвет, и соответствующие спектры в основном идентичны. Найдено, что при облучении жидкого ам миака возникает оптический спектр поглощения, который также сходен со спектром е^н3 ' обсуждавшимся выше [128, 412]. По-
52
скольку в этом случае щелочной металл отсутствовал, то на
| блюдавшаяся окраска | принадлежит исключительно | е^Н а . Одна | ||
| ко | при импульсном радиолизе | жидкого аммиака | исчезновение | |
| е^н | имеет начальную | быструю | стадию, за которой | следует вто | 
рая, гораздо более медленная стадия. Быстрая реакция проте
| кает | по закону | второго порядка с константой скорости | 0,1 X | |
| Х І О 1 0 ^ ! - 1 • сект1. | Поскольку | в растворах натрия в аммиаке | ||
| очень | стабилен, | высказывалось | предположение, что е~, | возни | 
кающий при облучении, исчезает в реакции с другими актив ными частицами, образующимися вместе с ним (возможно, с NH+ и NH2 ) [413] *.
Спектр е~, подобно спектру е^И з , не зависит от способа ге
| нерации [239]. На | рис. 3.2 приведены | спектры поглощения | е~ | ||
| в диапазоне К =220-^1 ООО нм, | которые | нормированы | условием, | ||
| что е = 1,85 • 104 М~] | • смгх при | 720 нм | [183, 210, 214, | 226, | 285, | 
352, 360]. Согласно указанным работам, форма кривой погло щения не зависит от величины pH. Как видно из рис. 3.2, она
| одинакова | при | р Н = 7 , 11 и 12. Недавно | было | показано, что | она | ||||
| не | изменяется | даже в 0,75 M растворе | HCIO4 | [108]. | 
 | 
 | |||
| 
 | При ?і>300 нм спектры идентичны независимо от | того, | сня | ||||||
| ты | ли они | через 1 или 10 мксек | после | прохождения | импульса | ||||
| электронов | или | рентгеновского | излучения. | Спектр | в области | ||||
| А,<300 нм | осложняется влиянием | примесей | и других | продуктов | |||||
радиолиза (например, ОН, Н 2 0 2 , Н 0 2 , 0 2 ) . Однако эту труд ность удалось преодолеть, проводя опыты по импульсному радиолизу с использованием щелочных растворов, насыщенных во дородом под давлением [184].
Спектр е~ , возникающих при радиолизе в результате иони зации молекул воды, совпадает со спектром е~, генерирован ных из атомов водорода. Как видно из рис. 3.2, изменение вели
| чины pH не оказывает влияния на спектр: он | одинаков | как в | |
| 0,01 и. растворе NaOH, насыщенном Н2 , так и | в | нейтральной | |
| воде. В первом случае примерно половина e~q | возникает | в ре | |
| зультате ионизации молекул воды, а остальная | их | часть — по | |
| реакции | 
 | 
 | 
 | 
| Н + О Н - - e - 4 - H A | 
 | 
 | (3.1) | 
и даже после того, как первоначально образовавшиеся е~ ис чезали с образованием атомов H, а последние вновь трансфор мировались в е~ , спектр оставался неизменным.
Подтверждение гипотезы о том, что структура е~ не за-
* Подробно свойства es в облученном жидком аммиаке исследованы в работах: Хайкин Г. И,. Жигунов В. А., Долин П. И. «Химия высоких энер гий», 1971, 5, 54, 84; 1972, 6, 149; «Докл. АН СССР», 1972, 202, 144.—
Прим. ред.
53
висит от способа его образования, может быть получено также на основании данных о его реакционной способности. Для не которых случаев, обсуждаемых в последующих главах, пока
| зано, что скорость | реакций | е~ не | зависит от | pH, | если | только | |||||||
| при этом структура среды не изменяется. С | помощью | метода | |||||||||||
| конкурирующих | акцепторов | было | показано, | кроме того, что | |||||||||
| 2,0 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 7 | 
 | V | 
 | 
 | 
 | |
| 1,5- | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | \ | 
 | 
 | • | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | * | в | 
 | 
 | У | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | - | 
 | 
 | ' | / | • | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | \ | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | - | \ | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | \\ | 
 | 
 | |
| 0,5\ | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | \ | 
 | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ш | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | X | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | A | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 200 | _ | 
 | I | 
 | 1 | 
 | 
 | 1 | j | \нм | 
 | ||
| 400 | 600 | 
 | 300 | 
 | |||||||||
| Рис. 3.2. Спектры поглощения e^q .^полученные | раз | 
 | |||||||||||
| личными | способами: | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||
| X — | 0,5 M | NajCOa | [226]; А | — № 0 | [2851; Ш — 0.001 н. | NaOH + | 
 | ||||||
| +0,7 | мМ Hi Г2101; | • — 0,01 | н. NaOH+0.7 | мМ | Н 2 [214]; | 
 | 
 | 
 | |||||
| 0,01 н. NaOH+0,0042M H , fl83V, | О — 0 . 5 | мМ | K<Fe | (CN)„ (фо | 
 | ||||||||
| тохимическое | образование | е ~ ) [ 3 6 0 ] . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
е~ , возникающие при фотолизе, имеют такую же реакцион ную способность, как и е~, образующиеся при рад'иолизе или в некоторых химических реакциях [127, 135].
Спектр е~ , возникающих при фотолизе, совпадает со спект ром е~ч, появляющихся при действии ионизирующих излуче ний или образующихся в реакции (3.1) [360]. На рис. 3.2 при ведены спектры е~, генерированных в реакции
Fe (CN)*- + Аѵ •* Fe (CN) 3 ~ + е~ .
54
Спектр поглощения такой системы, снятый спустя 30 мксек после световой вспышки, совпадал со спектром е~ , образован
| ных радиолитически | [360]. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | при | облучении | |||||||||
| Сольватированные электроны | возникают | и | ||||||||||||||||
| различных | спиртов. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| На | 
 | рис. | 3.3 | [389] | приведены | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| спектры | для | метанола, | этанола | и | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| изопропанола. Они сходны со спек | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| трами | е~. | Полосы | поглощения | яв | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||
| ляются | 
 | интенсивными, | асимметрич | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||
| ными | и | широкими, | свидетельствуя | 
 | 
 | 
 | 500 | 700 | 
 | 900 Л,нм | ||||||||
| тем | самым | 
 | о неизменности | основ | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||
| ных | особенностей | процесса | сольва | Рис. | 3.3. | 
 | Спектры | поглощения | ||||||||||
| тации электронов | и в этих полярных | ej~ в спиртах [389]: | 
 | 
 | ||||||||||||||
| жидкостях. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | / — СН,ОН: | 2 — CjHsOH; | 
 | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 3 — (СНзЬСНОН . | 
 | 
 | 
 | |||
| Зависимость от температуры и давления | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| При | 
 | увеличении | температуры | спектр | поглощения | e^q не | ||||||||||||
| сколько | уширяется | и £ ( А , М а к о ) | сдвигается | в | сторону | меньших | ||||||||||||
| энергий. Величина | сдвига для | е~ | составляет — 0,0029 | эв/град | ||||||||||||||
| в диапазоне | температур | от 4 до 90° С | [214]. Методом | импульс | ||||||||||||||
| ного радиолиза было показано | (см. рис. 3.4), что ширима | спект- | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 20 г— | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | : | 
 | 
 | 
 | - , | 
 | 
 | |
| Q\ | ! | ! | і | ! | 1 | 
| 1,0 . | 1,5 | 2,0 | 2,5 | _ | E,3ßJ | 
Рис. 3.4. Влияние температуры на спектр поглощения е~ в интервале от 4 до 90° С [400].
55
pa и его асимметрия несколько увеличиваются с ростом темпе ратуры, а кажущийся молярный коэффициент экстинкции слег ка уменьшается. Последний эффект в принципе может быть свя зан с уменьшением либо выхода е~, либо его молярного ко эффициента экстинкции. Поскольку уширение спектра с ростом температуры носит плавный характер, а радиационнохимические
| s | 
 | 
 | . | 
 | 
 | 
 | выходы, | как это | следует | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | из | 
 | химических | 
 | данных, | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | не | 
 | зависят от | температу | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ры, | можно | принять, что | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | выход g{ejq) | при измене | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | нии температуры | остается | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | постоянным. Отсюда | мож | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | но | 
 | заключить, | что в ин | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | тервале | от 4 до 90° С не | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | только количество е~ по | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | стоянно, но и его струк | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | тура | по | существу | неиз | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | менна. | 
 | 
 | 
 | 
 | полярные | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Другие | 
 | 
 | |||||||
| Рис. 3.5. Влияние температуры на | спектры | жидкости | ведут | себя ана | |||||||||||||||
| логичным | образом. | Как | |||||||||||||||||
| поглощения es | в метаноле и аммиаке: | ||||||||||||||||||
| видно | из рис. 3.5, | макси | |||||||||||||||||
| 3 — С Н 3 | О Н | при | —78° С [58]; 4 — С Н 3 О Н при 24° С | мумы | полос | 
 | поглощения | ||||||||||||
| J — N H 3 | при —70" С 1162]; 2 — N H 3 при 24° С | [130]; | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||
| [58]. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | электронов, | 
 | сольватиро | |||||||||
| смещаются | при увеличении | 
 | 
 | ванных | в СН3 ОН | и NH 3 , | |||||||||||||
| температуры | 
 | в | область | меньших | |||||||||||||||
| энергий, | что вновь свидетельствует о тесной | аналогии | между | ||||||||||||||||
| e7q и другими сольватированными электронами. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||||
| Гидратированный электрон образуется в воде и в результате | |||||||||||||||||||
| облучения ее при критической температуре | и даже | 
 | выше. Был | ||||||||||||||||
| получен | спектр поглощения в жидкой | воде D 2 0 под давлением | |||||||||||||||||
| ее насыщенного пара при температурах | 
 | вплоть | до 390° С (см. | ||||||||||||||||
| рис. 3.6). При таких | повышенных температурах | главными | осо | ||||||||||||||||
| бенностями | полосы | поглощения | являются | ее уширение и сдвиг | |||||||||||||||
| £ ( ^ м а к с ) | в | сторону | меньших | энергий. При температурах | выше | ||||||||||||||
| 100° С температурный | коэффициент сдвига | £ ( Х М а к о ) | монотонно | ||||||||||||||||
| убывает, | достигая | при 372° С значения | — 0,0015 эв | на | градус, | ||||||||||||||
| что существенно меньше, чем в случае жидкой | Н 2 0 при темпе | ||||||||||||||||||
| ратурах | ниже 100° С. Электрон остается | гидратированный | и при | ||||||||||||||||
| температуре | 390° С, заметно | превышающей | критическую | темпе | |||||||||||||||
| ратуру D 2 0, равную | 372° С. | Форма | полосы | поглощения | при | ||||||||||||||
| сверхкритических | температурах | сходна | с | формой | полосы для | ||||||||||||||
| жидкой | D 2 0 при более низких | температурах. Следует | подчер | ||||||||||||||||
| кнуть, что при изменении температуры | от 0 до 390° С | структур | |||||||||||||||||
| ные ассоциаты (кластеры), существующие в жидкой | воде, | резко | |||||||||||||||||
| изменяются. Поэтому | способность электрона | образовывать во- | |||||||||||||||||
56
| круг себя гидратную сферу не зависит | существенным | образом | ||||||
| от наличия | кластеров | молекул | воды | или | от структуры таких | |||
| кластеров, | и отрицательно заряженные | кластеры, | образованные- | |||||
| в газовой фазе при высоких давлениях, не отличаются | сущест | |||||||
| венно от электронов, гидратированных | в жидкой | воде. | 
 | |||||
| 
 | 1,8- | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| \ | 1,6 - | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | - | 
 | I | 1 \ . | 
 | 
 | I | 
 | 
| 5 | 1,2 | 
 | 0° | 100° | 
 | 371,5°С | 
 | |
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 1,0- | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 0.8 | і | 1 | 400 | 500 | 600 | Т°К | 
 | 
| 
 | 100 | 200 | 300 | 
 | ||||
| Рис. 3.6. | Влияние температуры на | Е ( Я м а і < г ) полосы | 
 | |||||
e~q в кристаллическом льду и жидкой воде. Данные
для температур, меньших 273° К, заимствованы из работ [414, 433], для температур 273—373° К — и з ра боты [214], для температур выше 373° К — и з рабо ты [337].
Влияние давления на спектр е~ исследовалось при 27° С. При этом было обнаружено смещение спектра в голубую часть, равное 200 Â при гидростатическом давлении 1000 атм [396, 399]. Этот сдвиг был интерпретирован на основе модели поло сти, предсказывающей такой сдвиг при уменьшении ее объема.
Спектры поглощения электронов в полярных твердых телах
Спектры поглощения /"-центров и электронов, захваченных во льду, напоминают спектры электронов, сольватированных в- жидкостях. Полосы поглощения /-центров при увеличении тем пературы уширяются, а их максимумы сдвигаются в сторону бо
| лее низких энергий | (см. рис. 3.7). Аналогия | между | спектрами, | ||||||
| приведенными на рис. 3.1 для льда | и жидкой | воды, и спектрами | |||||||
| рис. 3.7, а также температурные | сдвиги — еще одно | свидетель | |||||||
| ство определенного | сходства /"-центров, е~ и ejr . | 
 | 
 | ||||||
| Для спектров /"-центров в точке плавления кристалла | наблю | ||||||||
| дается скачкообразное изменение Е(КЫйѵс) | (сдвиг для КВг со | ||||||||
| ставляет | ~0,5 эв) | [219], что связано со значительным | объем | ||||||
| ным расширением | кристалла | при | плавлении. | Кроме | того, | ||||
| £ ( ? Ч і а к с ) | линейно зависит от молярного | объема | в степени —2/3. | ||||||
| Поскольку для галогенидов щелочных | металлов | величина Ѵ~2/3 | |||||||
57
прямо пропорциональна d~2 (d — расстояние между ядрами ме талла и галогена в кристалле), напрашивается вывод о наличии тесной связи между Хмлкс и межъядерным расстоянием в кри сталле. В дальнейшем при обсуждении модели полости будет
| показано, как Е(ХШКС) | 
 | зависит от | размеров | полости. | 
 | 
 | и при | |||||||||
| При | понижении температуры | е~ | стабилизируется, | 
 | ||||||||||||
| —196° С время его жизни в щелочной матрице настолько | велико, | |||||||||||||||
| что электрон | можно | наблюдать | с | помощью | 
 | обычных | оптиче | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ских методов или методом ЭПР. | |||||||||||
| 
 | 
 | -245°л | 
 | Использование | 
 | этих | методов | по | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | зволило | 
 | достичь значительного | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | прогресса | в | выяснении | 
 | струк | |||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | туры | efr. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||
| 
 | 
 | +20°/Т\ | \ | 
 | Примерно | 
 | одновременно | с | ||||||||
| 
 | 
 | идентификацией | е~ | по его спек | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | тру | поглощения | аналогичный | |||||||||
| +750°С/ | 
 | 
 | 
 | спектр, приписанный | 
 | , был от | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | крыт в | замороженных | 
 | облучен | ||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||||||||
| J},5 | -1,0 - | 1,5 | 2,0 | E,3Ô | ных | щелочных | растворах | [174, | ||||||||
| 270, | 394]. Типичный | такой | спектр | |||||||||||||
| Рис. 3.7. Влияние температуры на | с | А,Макс = 585 | нм, | снятый | 
 | при | ||||||||||
| спектры поглощения F-центров в | —196° С, | приведен | на | 
 | рис. 3.1, | |||||||||||
| КВг. Кривая для 750° С была по | кривая | 3. | Обращает | на | себя | вни | ||||||||||
| лучена в случае | раствора | К в | мание сходство | между | спектрами | |||||||||||
| жидком | КВг [219]. | 
 | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | е~ | и ejT | 
 | в замороженном щелоч | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ном | растворе. Обе полосы | погло | |||||||||
щения являются широкими, асимметричными и интенсивными;
| главное | различие состоит в сдвиге полосы | в сторону | боль | ||
| ших энергий. Д а ж е выход G(e^ | ), равный 3,0±0,6 в «стекле» | ||||
| 10 н. NaOH, близок к зыходу е~ | [176]. | Таким | образом, | можно | |
| •сделать | вывод о сходстве между е~ | и e~j~ , причем | главное | ||
| различие | состоит в том, что | находится в | несколько | более | |
| глубокой | ловушке. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
Высокие выходы е~ наблюдаются лишь для аморфных матриц типа NaOH—Н2О. В гл. 1 шла речь о том, что вторич ные электроны, выбитые из молекул воды -у-квантами, сначала термализуются, затем гидратируются. Те же процессы происхо дят во льду, где возможна дальнейшая их дифференциация. При низких температурах ловушки достаточно глубоки для того, что- •бы электроны стали неподвижными. Однако освещение и нагре вание освобождают такие электроны из ловушек и делают их подвижными. Обозначим подвижный электрон е~. Таким об разом, имеем равновесие
etr *^ ет •
58
Как и e~q, подвижные электроны реагируют с растворенными веществами; и во льду, не содержащем щелочь, реакция
| 
 | 
 | 
 | е - + Н+ - | H | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| ответственна за гораздо более низкий выход ejr . | 
 | 
 | 
 | |||||
| Однако | условие | щелочности недостаточно для | образования | |||||
| е~ , так | как | в монокристаллах | NaOH • 7,0 Н 2 0 | 
 | (9,0 М) | и | ||
| NaOH • 3,5 Н 2 0 | (14,5 | М) стабильные | ejr | не возникают | в резуль | |||
| тате облучения | при | —196° С [73], хотя | в «стеклах» | такого | же | |||
| состава появляется | значительное окрашивание [73, | 1684] *. Оче | ||||||
видно, облучение не приводит к возникновению ловушек в мо нокристаллах состава 9,0 или 14,5 M NaOH, но такие ловушки имеются в исходном аморфном твердом веществе. Аналогичные эффекты обнаружены для стеклообразных замороженных ра створов Са(С10„)2 , Mg(C104 )2 , NaH2 P04 [87]. В облученных этиленгликоле и глицерине, а также в смесях этиленгликоль — изопропиловый спирт и этиловый спирт — изобутиловый спирт одиночная полоса оптического поглощения постепенно смещает ся от энергии, характерной для одного спирта, к энергии дру гого более полярного спирта при увеличении мольной доли вто рого спирта [171, 173, 175]. Такая зависимость свидетельствует в пользу модели, согласно которой электроны захватываются в существующих до облучения полостях, образованных несколь кими равномерно смешанными молекулами спиртов f 171J. В этих растворах электроны захватываются в готовых ловуш ках, необходимым условием существования которых является стеклообразное некристаллическое состояние, обусловленное вы сокой концентрацией многоатомных анионов и инертных органи ческих молекул. Естественно, что в отсутствие Н+ или легко
| восстанавливающихся | соединений | выходы | еуг возрастают. Есть | ||
| обзоры, где описана | природа | процессов | в облученных водных | ||
| [106, 136, 176, 292, 294, 341, | 461] | и органических [223, | 466] | ||
| «стеклах» **. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| Время жизни и выходы efr | в чистом | кристаллическом | льду | ||
сильно снижаются. Поэтому для изучения их свойств необхо
| димо использовать | метод импульсного радиолиза [169, 354, 413]. | |||||
| На | рис. 3.1 спектр | е~ сопоставлен | со спектрами е~ | в чистом | ||
| 
 | * Образование электронных | центров с | малыми | выходами | при ѵ-радио- | |
| лизе | кристаллогидратов щелочей | и фторида | калия | при —196° С было пока | ||
зано недавно А. К. Пикаевым и сотр. (Pikaev A. K-, Ershov В. G., Punte-
| zhis | S. A. Radiations | Effects, | 1970, | 5, 265. Puntezhis S. A., Ershov B. G., | Pi | |||||||
| kaev | A. K. Ibid., | 1971, | 10, 253).— | Прим. | ред. | 
 | 
 | 
 | ||||
| ** | Эти | процессы | рассматриваются | также | в обзорах: | Ершов Б. Г., | Пи- | |||||
| каев | А. К. | «Ж. | физ. хим.», | 1967, | 41, | 2573; Рогинский В. А., Котов Б. В. | ||||||
| «Химия | высоких | энергий», 1967, | 1, | 291; | Ershov В. G., Pikaev А. К. Radiation | |||||||
| Res. Rev., 1969, 2, 1; Kevan L. In: | Actions Chimiques et Biologiques des | Ra | ||||||||||
| diations. M. Haissinsky, Ed. Paris, | Masson et | Cie, 1969, | sêr, XIII, p. | 57.— | ||||||||
| Прим. | ред. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |
59
