Хемоионизация

Ионизация наиболее интенсивно происходит у основания пламени[1]

Эта статья о химической реакции, приводящей к образованию иона; о способе ионизации анализируемой среды[2] в масс-спектрометрии см. Химическая ионизация.

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

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

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 314 дней]. В настоящее время хемоионизация стала одним из методов ионизации, используемых в масс-спектрометрии[12][13].

Реакции

Наиболее распространенную реакцию хемоионизации можно представить как[14]:

${\displaystyle {\ce {O + CH -> HCO+ + e^-}}}$

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

Затем могут происходить реакции хемоионизации B-типа:

${\displaystyle {\ce {HCO+{}+e^{-}->{\binom {H3O+}{C3H3}}+M->M+{}+products}}}$,

а также:

${\displaystyle {\ce {CH{}+O{}+M->CHO{}+M^{\ast }->M{}+{\mathit {hv}}}}}$,

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

Хемоионизация в пламени

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

1. Источник  (неопр.). Дата обращения: 13 марта 2024. Архивировано 13 марта 2024 года.
2. Соловьев Л. А., Каденцев В. И., Чижов О. С. Масс-спектроскопия с химической ионизацией (рус.) // Успехи химии : научный журнал. — 1979. — Т. 48, вып. 7. — С. 1180—1207.
3. Ключарев А Н. Процессы хемоионизации (рус.) // Успехи физических наук : Научный журнал. — 1993. — Т. 163, № 6. — С. 39–73. Архивировано 30 ноября 2023 года.
4. Chemi-ionization  (неопр.). 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

• Arthur Fontijn. Chemi-ionization Reactions in the Gas Phase : [англ.] // Progress in Reaction Kinetics / Ed.: K. R. Jennings, R. B. Cundall. — Elsevier, 1972. — Vol. 6. — P. 76—135. — ISBN 978-1-4831-4612-6.