В химии фаза Цинтля является продуктом реакции между группой 1 ( щелочной металл ) или группой 2 ( щелочноземельный металл ) и металлом или металлоидом основной группы (из групп 13, 14, 15 или 16). Она характеризуется промежуточной металлической / ионной связью. Фазы Цинтля являются подгруппой хрупких , тугоплавких интерметаллических соединений , которые являются диамагнитными или проявляют независимый от температуры парамагнетизм и являются плохими проводниками или полупроводниками . [1]
Этот тип твердых тел назван в честь немецкого химика Эдуарда Цинтля , который исследовал их в 1930-х годах. Термин «фазы Цинтля» был впервые использован Лавесом в 1941 году . [2] В своих ранних исследованиях Цинтль отметил, что при образовании этих продуктов происходит сокращение атомного объема, и понял, что это может указывать на образование катионов . Он предположил, что структуры этих фаз являются ионными, с полным переносом электронов от более электроположительного металла к более электроотрицательному элементу основной группы. [1] Затем структура аниона внутри фазы рассматривается на основе результирующего электронного состояния. Эти идеи получают дальнейшее развитие в концепции Цинтля-Клемма-Бусманна , где структура полианиона должна быть аналогична структуре изовалентного элемента. Кроме того, анионная подрешетка может быть выделена в виде полианионов (ионов Цинтля) в растворе и является основой богатого подполя неорганической химии основной группы .
«Фаза Цинтля» была впервые обнаружена в 1891 году М. Джоаннисом, который отметил неожиданный зеленый цвет раствора после растворения свинца и натрия в жидком аммиаке , что указывало на образование нового продукта. [3] Лишь много лет спустя, в 1930 году, стехиометрия нового продукта была идентифицирована как Na 4 Pb 9 4− с помощью титрования, проведенного Цинтлем и др.; [4] и лишь в 1970 году структура была подтверждена кристаллизацией с этилендиамином (en) Куммером. [5]
В последующие годы и в последующие годы было исследовано множество других реакционных смесей металлов, чтобы предоставить большое количество примеров этого типа систем. Существуют сотни соединений, состоящих из элементов группы 14 и группы 15, а также десятки других за пределами этих групп, все охватывающие множество различных геометрий. [6] Корбетт внес улучшения в кристаллизацию ионов Цинтля, продемонстрировав использование хелатирующих лигандов , таких как криптанды , в качестве агентов, связывающих катионы. [7]
Совсем недавно были исследованы фаза Цинтля и реакционная способность ионов в более сложных системах с органическими лигандами или переходными металлами, а также их использование в практических приложениях, например, в каталитических целях или в материаловедении.
Фазы Цинтля представляют собой интерметаллические соединения, которые имеют ярко выраженный характер ионной связи. Они состоят из полианионной подструктуры и противоионов группы 1 или 2, и их структуру можно понять с помощью формального переноса электронов от электроположительного элемента к более электроотрицательному элементу в их составе. Таким образом, концентрация валентных электронов (VEC) анионного элемента увеличивается, и он формально перемещается вправо в своей строке периодической таблицы. Обычно анион не достигает октета , поэтому для достижения этой конфигурации замкнутой оболочки образуются связи. Структуру можно объяснить правилом 8-N (замена числа валентных электронов, N, на VEC), что делает ее сопоставимой с изовалентным элементом. [8] Образованные полианионные подструктуры могут быть цепями (двумерными), кольцами и другими двумерными или трехмерными сетями или молекулоподобными образованиями.
Линия Цинтля — это гипотетическая граница, проведенная между группами 13 и 14. Она разделяет столбцы на основе тенденции элементов группы 13 образовывать металлы при взаимодействии с электроположительными элементами группы 1 или 2, а также тенденции элементов группы 14 и выше образовывать ионные твердые вещества. [9] «Типичные соли», образующиеся в этих реакциях, становятся более металлическими по мере того, как основной элемент группы становится тяжелее. [8]
Фазы Цинтля могут быть получены в обычных твердофазных реакциях, обычно проводимых в инертной атмосфере или в расплавленном солевом растворе . Типичные твердофазные методы включают прямое восстановление соответствующих оксидов в реакциях в растворенной фазе в жидком аммиаке или ртути. Продукт может быть очищен в некоторых случаях с помощью зонной очистки , хотя часто осторожный отжиг приводит к крупным монокристаллам желаемой фазы. [8]
Многие из обычных методов полезны для определения физических и структурных свойств фаз Цинтля. Некоторые фазы Цинтля можно разложить на ион Цинтля — полианион, который составляет анионную подструктуру фазы — и противоион, который можно изучить, как описано ниже. Можно оценить теплоту образования этих фаз. Часто их величина сопоставима с величиной образования соли, что свидетельствует об ионном характере этих фаз. [8] Измерения плотности указывают на сжатие продукта по сравнению с реагентами, что также указывает на ионную связь внутри фазы. [10] Рентгеновская спектроскопия дает дополнительную информацию о степени окисления элементов и, соответственно, о природе их связи. Также можно провести измерения проводимости и намагниченности. Наконец, структура фазы Цинтля или иона наиболее надежно подтверждается с помощью рентгеновской кристаллографии .
Наглядный пример: в K 12 Si 17 есть два типа ионов Цинтля : 2x Si4−
4(псевдо P 4 , или согласно правилам Уэйда , 12 = 2n + 4 скелетных электронов, соответствующих нидо -форме тригональной бипирамиды ) и 1x Si4−
9(согласно правилам Уэйда , 22 = 2n + 4 скелетных электрона, соответствующих нидо -форме двушапочной квадратной антипризмы )
Примеры из обзорной статьи Мюллера 1973 года с известными структурами приведены в таблице ниже. [8]
Существуют примеры нового класса соединений, которые на основе их химических формул, по-видимому, являются фазами Цинтля, например, K 8 In 11 , который является металлическим и парамагнитным. Молекулярные орбитальные расчеты показали, что анионом является (In 11 ) 7− и что дополнительный электрон распределен по катионам и, возможно, анионным антисвязывающим орбиталям . [13] Другим исключением является металлический InBi. InBi удовлетворяет требованиям фазы Цинтля для связей элемент-элемент, но не требованиям полианионной структуры, соответствующей соединению с нормальной валентностью, т. е. полианионная структура Bi–Bi не соответствует нормальной валентной структуре, такой как алмаз Tl − в NaTl. [14]
Фазы Цинтля, содержащие молекулярные полианионы, часто разделяются на составляющие их анионы и катионы в жидком аммиаке, этилендиамин, краун-эфирах или растворах криптанда. Поэтому их называют ионами Цинтля. Термин «кластеры» также используется, чтобы подчеркнуть их как группы с гомоядерной связью. Структуры могут быть описаны правилами Уэйда и занимают область перехода между локализованными ковалентными связями и делокализованными скелетными связями. [15] Помимо «эстетической простоты и красоты их структур» и отличительных электронных свойств, ионы Цинтля также представляют интерес для синтеза из-за их уникального и непредсказуемого поведения в растворе. [15]
Самая большая подкатегория ионов Цинтля — это гомоатомные кластеры элементов группы 14 или 15. Некоторые примеры приведены ниже. [15] [16]
Аналогично существует множество примеров для гетероатомных кластеров , где полианион состоит из более чем одного основного группового элемента. Некоторые примеры перечислены ниже. [15] [16] Ионы Цинтля также способны реагировать с лигандами и переходными металлами, и далее обсуждаются «гетероатомные примеры» (интерметаллоидные кластеры). В некоторых растворителях обмен атомами может происходить между гетероатомными кластерами. [17] Кроме того, примечательно, что существует меньше примеров крупных кластеров. [15]
Ионы Цинтля обычно готовятся одним из двух методов. Первый — это прямой путь восстановления , выполняемый при низкой температуре. В этом методе сухой аммиак конденсируется над смесью двух (или более) металлов в инертной атмосфере. Реакция изначально производит сольватированные электроны в аммиаке, которые восстанавливают более электроотрицательный элемент в ходе реакции. Эту реакцию можно отслеживать по изменению цвета с синего (сольватированные электроны) на цвет фазы Цинтля. Второй метод, выполняемый при более высоких температурах, заключается в растворении фазы Цинтля в жидком аммиаке или другом полярном апротонном растворителе, таком как этилендиамин (в редких случаях используется ДМФА или пиридин ). [18] Некоторые ионы Цинтля, такие как ионы на основе Si и Ge, можно приготовить только этим косвенным методом, поскольку они не могут быть восстановлены при низких температурах. [18]
Структура ионов Цинтля может быть подтверждена с помощью рентгеновской кристаллографии. Корбетт также улучшил кристаллизацию ионов Цинтля, продемонстрировав использование хелатирующих лигандов, таких как криптанды, в качестве агентов, связывающих катионы. [7]
Многие из основных групповых элементов имеют активные ядра ЯМР, поэтому эксперименты ЯМР также ценны для получения структурной и электронной информации; они могут раскрыть информацию о гибкости кластеров. Например, в растворе могут присутствовать по-разному заряженные виды, поскольку полианионы сильно восстановлены и могут окисляться молекулами растворителя. Эксперименты ЯМР показали низкий барьер для изменения и, следовательно, схожие энергии для разных состояний. [17] ЯМР также полезен для получения информации о связи между отдельными атомами полианиона и с противоионом, координированным переходным металлом или лигандом. Независимые от ядра химические сдвиги также могут быть индикатором 3D-ароматичности, которая вызывает магнитное экранирование в особых точках.
Кроме того, ЭПР можно использовать для измерения парамагнетизма в соответствующих кластерах, среди которых имеется ряд примеров типа [E 9 ] 3− и других. [19]
Будучи сильно восстановленными видами в растворе, ионы Цинтля предлагают множество и часто неожиданных возможностей для реакций, а их дискретная природа делает их потенциально важными исходными материалами в неорганическом синтезе. [18]
В растворе отдельные ионы Цинтля могут реагировать друг с другом, образуя олигомеры и полимеры . Фактически, анионы с высокой нуклеарностью можно рассматривать как продукты окислительного связывания мономеров. [20] После окисления кластеры иногда могут сохраняться в виде радикалов , которые могут использоваться в качестве предшественников в других реакциях. Ионы Цинтля могут окисляться без присутствия определенных окислителей через молекулы растворителя или примеси, например, в присутствии криптанда, который часто используется для облегчения кристаллизации. [15]
Кластеры ионов Цинтля могут быть функционализированы различными лигандами в реакции, аналогичной их олигомеризации. Таким образом, функционализация конкурирует с этими реакциями, и можно наблюдать, как происходят обе. Органические группы, например, фенил , ТМС и бромметан , образуют экзосвязи с электроотрицательными атомами основной группы. Эти лиганды также могут стабилизировать кластеры с высокой нуклеарностью, в частности, гетероатомные примеры. [15]
Аналогично в твердых телах фазы Цинтля могут включать водород. Такие гидриды фазы Цинтля могут быть образованы либо прямым синтезом элементов или гидридов элементов в атмосфере водорода, либо реакцией гидрирования чистой фазы Цинтля. Поскольку водород имеет сопоставимую электроотрицательность с постпереходным металлом, он включается как часть полианионной пространственной структуры. Присутствуют два структурных мотива. Одноатомный гидрид может быть образован, занимая интерстициальное место, которое координируется исключительно катионами ( интерстициальный гидрид ), или он может ковалентно связываться с полианионом (полианионный гидрид). [21]
Сам ион Цинтля также может выступать в качестве лиганда в комплексах переходных металлов. Эта реакционная способность обычно наблюдается в кластерах, состоящих из более чем 9 атомов, и более характерна для кластеров группы 15. Изменение геометрии часто сопровождает комплексообразование; однако металл вносит в комплекс ноль электронов, поэтому количество электронов по отношению к правилам Уэйда не меняется. [15] В некоторых случаях переходный металл покрывает грань кластера. Другим способом реакции является образование эндоэдральных комплексов, где металл инкапсулирован внутри кластера. Эти типы комплексов поддаются сравнению с твердотельной структурой соответствующей фазы Цинтля. [16] Эти реакции, как правило, непредсказуемы и сильно зависят от температуры, среди других условий реакции.
Геометрия и связь иона Цинтля не могут быть легко описаны классическими теориями двухэлектронных двухцентровых связей ; однако геометрия ионов Цинтля может быть хорошо описана правилами Уэйда для боранов. Правила Уэйда предлагают альтернативную модель для связи между геометрией и количеством электронов в делокализованных системах с дефицитом электронов. Правила были разработаны для предсказания геометрии боранов по количеству электронов и могут быть применены к этим полианионам путем замены единицы BH на неподеленную пару. [18] Некоторые уникальные кластеры Ge встречаются в недельтаэдрических формах, которые не могут быть описаны правилами Уэйда. Правила также становятся более запутанными в интерметаллических кластерах с переходными металлами, и необходимо учитывать расположение дополнительных электронов.
Концепция Цинтля-Клемма-Бусманна описывает, как в анионном кластере атомы располагаются в типичных геометриях, найденных для элемента справа от него в периодической таблице. Таким образом, «анионная решетка изометрична с элементарными решетками, имеющими одинаковое число валентных электронов». [8] В этой формулировке средний заряд на каждом атоме кластера можно рассчитать следующим образом:
где n a — число атомов анионов, а VEC — концентрация валентных электронов на атом аниона, тогда:
. [18]
Число связей на анион предсказывает структуру на основе изоэлектронного соседа. Это правило также называется правилом 8 - N и может быть записано как:
.
Не все фазы следуют концепции Цинтля-Клемма-Бусманна, особенно когда есть высокое содержание либо электроотрицательного, либо электроположительного элемента. Есть еще примеры, где это не применимо. [8]
Правила Уэйда успешно описывают геометрию анионной подрешетки фаз Цинтля и ионов Цинтля, но не электронную структуру. Другие «сферические модели оболочек» со сферическими гармоническими волновыми функциями для молекулярных орбиталей — аналогичные атомным орбиталям — которые описывают кластеры как псевдоэлементы. Модель желе использует сферический потенциал от ядер, чтобы дать орбитали с глобальными узловыми свойствами. Опять же, это формулирует кластер как «суператом» с электронной конфигурацией, сравнимой с одиночным атомом. Модель лучше всего применяется к сферически симметричным системам, и два примера, для которых она хорошо работает, — это икосаэдрические кластеры Al 13 − и [Sn@Cu 12 @Sn 20 ] 12− . [22] [23] DFT или ab initio молекулярные орбитальные расчеты аналогичным образом обрабатывают кластеры с атомами и соответственно обозначают их S, P, D и т. д. Эти конфигурации замкнутых оболочек побудили некоторые исследования 3D-ароматичности . Эта концепция была впервые предложена для фуллеренов и соответствует правилу 2(N+1) 2 в модели сферической оболочки. Индикатором этого явления являются отрицательные значения ядерного независимого химического сдвига (NICS) центра кластера или определенных дополнительных точек высокой симметрии. [16]
Некоторые ионы Цинтля демонстрируют способность активировать малые молекулы. Одним из примеров, полученных Дененом и его коллегами, является захват O 2 интерметаллическим кластером [Bi 9 {Ru(cod)} 2 ] 3− . [24] Другой интерметаллический кластер рутения, [Ru@Sn 9 ] 6− , использовался в качестве прекурсора для селективного диспергирования катализатора гидрирования CO 2 Ru-SnOx на CeO 2 , что привело к почти 100% селективности CO для метанирования . [25]
В материаловедении Ge 9 4− использовался в качестве источника Ge в литий-ионных аккумуляторах , где он может быть осажден в микропористом слое альфа-Ge. [26] Дискретная природа ионов Zintl открывает возможность для синтеза снизу вверх наноструктурированных полупроводников и модификации поверхности твердых тел. [15] Окисление и полимеризация ионов Zintl также могут быть источником новых материалов. Например, полимеризация кластеров Ge использовалась для создания гостевого свободного германиевого клатрата , другими словами, особого чистого Ge. [27]