Твёрдый кислород образуется при нормальном атмосферном давлении при температуре ниже 54,36 К (−218,79 °C, −361,82 °F). Твёрдый кислород O2 , как и жидкий кислород , представляет собой прозрачное вещество светло -голубого цвета, обусловленного 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 является единственной простой двухатомной молекулой (и одной из немногих молекул вообще), которая несет магнитный момент . [1] Это делает твердый кислород особенно интересным, так как он считается «спин-контролируемым» кристаллом [1] , который демонстрирует антиферромагнитный магнитный порядок в низкотемпературных фазах. Магнитные свойства кислорода были тщательно 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 различных кристаллографических фаз.
Плотность твердого кислорода колеблется от 21 см 3 / моль в α-фазе до 23,5 см 3 /моль в γ-фазе. [5]
β-фаза: от слабо-голубого до розового цвета – образуется при 1 атм, ниже 43,8 К, ромбоэдрическая кристаллическая структура, пространственная группа R 3 m (№ 166). При комнатной температуре и высоком давлении начинает превращаться в тетракислород.
γ-фаза: слабо-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 при 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
Было обнаружено, что кислород затвердевает в состоянии, называемом β-фазой, при комнатной температуре путем приложения давления, и при дальнейшем увеличении давления β-фаза претерпевает фазовые переходы в δ-фазу при 9 ГПа и ε-фазу при 10 ГПа; и, из-за увеличения молекулярных взаимодействий , цвет β-фазы меняется на розовый, оранжевый, затем красный (стабильная октакислородная фаза), а красный цвет далее темнеет до черного с увеличением давления. Было обнаружено, что металлическая ζ-фаза появляется при 96 ГПа, когда ε-фаза кислорода еще больше сжимается. [6]
Красный кислород
Когда давление кислорода при комнатной температуре увеличивается на 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 .
Металлический кислород
ζ - фаза появляется при 96 ГПа, когда ε-фаза кислорода еще больше сжимается. [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
^ abc Freiman, YA & Jodl, HJ (2004). "Твёрдый кислород". Physics Reports . 401 (1–4): 1–228. Bibcode :2004PhR...401....1F. doi :10.1016/j.physrep.2004.06.002.
^ См. также: Для статей, посвященных магнитным свойствам твердого кислорода, мы ссылаемся на намагничивание конденсированного кислорода под высоким давлением и в сильных магнитных полях RJ Meier, CJ Schinkel и A. de Visser, J. Phys. C15 (1982) 1015–1024, поглощение в дальней инфракрасной области, касающееся магнитных возбуждений или спиновых волн, в Meier RJ, Colpa JHP и Sigg H 1984 J. Phys. C: Solid State Phys. 17 4501.
^ ab Desgreniers, S., Vohra, YK & Ruoff, AL (1990). «Оптический отклик очень плотного твердого кислорода на 132 ГПа». Журнал физической химии . 94 (3): 1117–1122. doi :10.1021/j100366a020.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Аб 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, Х. М. (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.
^ abc Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (2006). "Определена структура кристалла ε-фазы твердого кислорода с открытием красного кластера кислорода O8". AZoNano . Получено 10.01.2008 .
^ Jordan, TH; Streib, WD; Smith, HW; Lipscomb, WN (1964-06-01). «Исследования монокристаллов β-F2 и γ-O2». Acta Crystallographica . 17 (6). Международный союз кристаллографии (IUCr): 777–778. doi : 10.1107/s0365110x6400202x . ISSN 0365-110X.
^ ДеФотис, Гэри К. (1981-05-01). «Магнетизм твёрдого кислорода». Physical Review B. 23 ( 9). Американское физическое общество (APS): 4714–4740. Bibcode : 1981PhRvB..23.4714D. doi : 10.1103/physrevb.23.4714. ISSN 0163-1829.
^ ab Akahama, Yuichi; Kawamura, Haruki; Häusermann, Daniel; Hanfland, Michael; Shimomura, Osamu (июнь 1995 г.). "Новый структурный переход кислорода при высоком давлении 96 ГПа, связанный с металлизацией в молекулярном твердом теле". Physical Review Letters . 74 (23): 4690–4694. Bibcode :1995PhRvL..74.4690A. doi :10.1103/PhysRevLett.74.4690. PMID 10058574.
^ Николь, Малкольм; Хирш, КР; Хольцапфель, Вильфрид Б. (декабрь 1979 г.). «Фазовые равновесия кислорода вблизи 298 К». Chemical Physics Letters . 68 (1): 49–52. Bibcode : 1979CPL....68...49N. doi : 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.
