Прогнозирование стабильных молекул фторида радона и оптимизация геометрии с использованием первых

Sep 29, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2898 (2023) Цитировать эту статью

804 Доступа

3 цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Благородные газы обладают чрезвычайно низкой реакционной способностью, поскольку их валентные оболочки закрыты. Однако предыдущие исследования показали, что эти газы могут образовывать молекулы, когда они соединяются с другими элементами с высоким сродством к электрону, такими как фтор. Радон представляет собой природный радиоактивный благородный газ, и образование молекул радона и фтора представляет значительный интерес из-за его потенциального применения в будущих технологиях, связанных с радиоактивностью окружающей среды. Тем не менее, поскольку все изотопы радона радиоактивны, а самый длинный период полураспада радона составляет всего 3,82 дня, эксперименты по химии радона были ограничены. Здесь мы изучаем образование молекул радона, используя расчеты из первых принципов; кроме того, возможные составы фторидов радона прогнозируются с использованием подхода прогнозирования кристаллической структуры. Установлено, что ди-, тетра- и гексафториды, подобно фторидам ксенона, стабилизируются. Расчеты связанных кластеров показывают, что RnF6 стабилизируется с симметрией точки Oh, в отличие от XeF6 с симметрией C3v. Более того, мы предоставляем в качестве эталона колебательные спектры предсказанных нами фторидов радона. Молекулярная стабильность ди-, тетра- и гексафторида радона, полученная расчетами, может привести к прогрессу в химии радона.

Благородный газ с полностью заполненной внешней оболочкой не является химически активным. Когда аргон был впервые открыт, химики обнаружили, что он не вступает в реакцию с другими элементами таблицы Менделеева, а благородные газы обычно считались нереакционноспособными. В 1930-х годах Полинг1 предсказал, что ксенон (Xe) сможет образовывать соединения с фтором. В аналогичных экспериментах им удалось лишь разъедать стенки кварцевой колбы и они не подозревали о наличии в ней новых соединений2. После нескольких испытаний ксенон и фтор легко вступили в реакцию и образовали твердый XeF4, стабильный даже при комнатной температуре3. Структуры дифторида ксенона (XeF2) и тетрафторида ксенона (XeF4) идентифицированы по их колебательным спектрам4. Однако структура гексафторида ксенона (XeF6) противоречива в отношении стереоактивности неподеленных пар валентных электронов5. Экспериментальные данные, полученные с помощью дифракции электронов6 и колебательной спектроскопии7, позволяют предположить, что XeF6 образует искаженную октаэдрическую симметрию8.

Радон (Rn) — благородный газ, подобный Хе; это природный радиоактивный материал (НОРМ), обнаруженный в подземной среде. Он имеет высокую плотность (9,73 г/л при стандартной температуре и давлении) и растворимость (230 см3/л при 20 °C)9 среди благородных газов. При вдыхании газообразного Rn он либо непосредственно испускает альфа-лучи, либо распадается на дочерние радионуклиды, что может вызвать рак легких10. Кроме того, из-за его короткого периода полураспада (всего 3,82 дня) эксперименты и исследования с радоном до сих пор ограничены. Тяжелые благородные газы, такие как Xe и Rn, являются одновременно редкими элементами и высокорадиоактивными газами; поэтому они представляют собой различные проблемы для исследователей-экспериментаторов. Дифторид радона (RnF2) был синтезирован Филдсом11; при воздействии фтора и нагревании до 400 °C он образовывал нелетучий RnF2. RnF2 в настоящее время является единственной известной молекулой радона. Из-за высоких требований к температуре и давлению получить полную твердую пробу RnF2 в естественной среде сложно.

Вычислительные исследования, основанные на первых принципах теории функционала плотности (DFT), рассматриваются как практическая альтернатива изучению этих газов, поскольку метод DFT успешно применяется для детального анализа огромного количества материалов. Подход DFT можно использовать для качественного прогнозирования геометрических особенностей и определения различных химических и физических свойств. Однако компьютерные исследования, основанные на первых принципах взаимодействия атомов Rn с окружающей средой (например, комплекса Rn·H2O)12 или образования молекул Rn, очень редки.