научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИОНОВ АММОНИЯ НА РАДИАЦИОННОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ НИТРАТА КАЛИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИОНОВ АММОНИЯ НА РАДИАЦИОННОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ НИТРАТА КАЛИЯ»

ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2004, том 38, № 2, с. 120-123

УДК 541.15

РАДИАЦИОННАЯ ХИМИЯ

ВЛИЯНИЕ ИОНОВ АММОНИЯ НА РАДИАЦИОННОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ НИТРАТА КАЛИЯ

© 2004 г. |С. И. Баннов|, Л. Д. Кригер, М. Б. Миклин

Кемеровский государственный университет 650043, Кемерово, ул. Красная, 6

E-mail: miklin@kemsu.ru Поступила в редакцию 09.04.2003 г.

Методом ЭПР при 77 К изучено образование и термопревращение парамагнитных центров в у-об-лученных монокристаллах нитрата калия с примесью нитрата аммония. Установлено, что присутствие нитрата аммония уменьшает радиационно-химический выход нитрит-ионов - одного из конечных продуктов радиолиза нитратсодержащих соединений. Анализ результатов исследования

ориентации N02 в кристаллической решетке КК03 с примесью позволил предложить механизм селективного разрыва связи N-0 при радиационно-стимулированной диссоциации нитрат-иона в матрице нитрата калия.

Облучение при 77 К нитрата калия приводит к образованию радикалов К03 , К03 и ОКОО [1]. Введение однозарядных примесных ионов как в анионную, так и в катионную подрешетки увеличивает радиационно-химический выход (РХВ) ра-2_

дикалов К03 [2]. При этом в процессе радиолиза сами примесные центры являются акцепторами дырок, образуя соответствующие дырочные радикалы [2, 3].

В работах [4, 5] изучено влияние различных примесных добавок в нитрат содержащих матрицах на РХВ нитрит-ионов - одного из конечных продуктов радиолиза данных матриц. Показано, что примесь Т1+ увеличивает, а Ag+ уменьшают

выход N02. Однако природа влияния примесей на радиационно-химические процессы в нитрате калия в литературе окончательно не установлена.

При радиолизе солей аммония катион может захватывать электрон с образованием NH3 и Н

[6]. Участие NH+ в процессе термоотжига радикалов в нитрате аммония рассмотрено также в [7, 8]. Предположено, что катионная подрешетка, выступая в роли акцепторов электронов, влияет на процесс радиационно-химического разложения нитрата аммония.

В настоящей работе рассмотрен механизм влияния ионов NH+ на образование и превращение продуктов радиолиза твердого раствора КК03 : NH+.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследованные образцы представляли собой монокристаллы, выращенные медленным охлаждением насыщенных водных растворов солей марки "х.ч.". Концентрацию примесных ионов аммония определяли колориметрическим методом с реактивом Неслера [9] и варьировали в диапазоне 3.5 х 10-5-1.5 х 10-4 моль г-1. Линейная зависимость концентрации ионов аммония в кристалле от их концентрации в растворе позволяет считать, что выращенные кристаллы представляют собой твердые растворы.

Образцы облучали при 77 К у-излучением на установке РХМ-у-20 (источник 60Со) с мощностью дозы 2.8 Гр с-1. Спектры ЭПР регистрировали при 77 К на радиоспектрометре 3-сантиметрового диапазона РЭ-1306. Исследование термических превращений парамагнитных центров (ПЦ) в облученных образцах проводили с использованием блока термостатирования, позволяющего поддерживать температуру в диапазоне 90-400 К с точностью ±3 К. При этом облученный при 77 К образец нагревали до необходимой температуры, выдерживали в течение 5 мин, затем охлаждали до 77 К. Концентрацию ПЦ определяли относительно аттестованных образцов Мп2+ в Mg0 и

ДФПГ. Содержание N0- в образцах определяли спектрофотометрическим методом [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

После облучения при 77 К в спектре ЭПР кристаллов нитрата калия с примесью ионов аммония наблюдаются линии центров, ранее иденти-

фицированные в чистом нитрате калия как N03,

0^0 и N0^ [1]. Дырочный радикал 0N00 является структурным изомером радикала N0^ Однако о его строении единого мнения нет. В работах [11, 12] рассматривались варианты перекис-ного строения данного центра, по этой причине и была предложена его форма записи как 0N00. Однако с учетом высказанного в работе [13] предположения об ошибочности такой идеи в [7] обсуждался вариант пирамидального строения радикала (точечная группа симметрии С3У). В связи с этим в дальнейшем радикал 0N00 будем обозначать как Ш3(2), а Ш3 как Ш3(1).

Отличительной особенностью спектров ЭПР облученных при 77 К монокристаллов КМ03 : NN от таковых чистого KN03 является искажение линий спектра радикала N0^1), связанное с незначительным расщеплением каждой линии триплета на две компоненты (рис. 1). Это расщепление обусловлено взаимодействием неспаренного электрона радикала N0^1) с одним из протонов примесного катиона NN. Существенных изменений основных параметров спектров радикалов (главных значений g- и А-тензоров) в монокристаллах

К№03 : NN по сравнению с чистым К№03 не обнаружено. Также не обнаружено влияние на начальный РХВ радикалов Ш3(1) (в - 10 х 10-2 эВ-1) и Ш3(2) (в - 1 х 10-2 эВ-1). С другой стороны,

РХВ радикалов N0^ увеличивается от 3.2 х 10-2 в чистом КШ3 до 7 х 10-2 эВ-1 в КШ3 : Ш4 при концентрации NN = 1.3 х 10-4 моль г-1.

Как в чистом КМ03, так и в КМ03 : Ш4 при 77 К наблюдается гибель N0^1). При Т > 100 К в спектре ЭПР данный радикал зарегистрировать не удается. В области температур 77-100 К наблю-

2-

дается гибель N03 , протекающая до тех пор, пока радикал N0^1) регистрируется методом ЭПР,

после чего уменьшение концентрации N03 прекращается. Концентрация радикала N0^2) в этой области температур остается неизменной.

На рис. 2 приведены результаты исследования термоотжига радикалов в облученных монокристаллах KN03 и

КШ3 : Ш4. Видно,

что полная гибель радикалов N03(2) и N03 в этих матрицах наблюдается вблизи низкотемпературного фазового перехода Т = 213 К [14]. В отличие от KN03

в КШ3 : NN при 150 < Т < 225 К в спектрах ЭПР появляются линии радикала N02 ^хх = 2.0049, gyy = 1.9917, gzz = 2.0017, Ахх = 5.32, Ауу = 4.94 и Агг = = 6.92 мТ), расположенного в плоскости нитрат-

1 1 1 Ш3(1) Ш3(2)

I_I_

N02-

Рис. 1. Спектр ЭПР монокристалла KN0з : NN4 , облученного при 77 К.

с, 1017 г-1 8

6 1

2

\| 4 —|- , 5 В V 1

77 100 125 150 175 200 225 250 т, К

Рис. 2. Термоотжиг ПЦ в облученных монокристаллах КШ3 и КШ3 : NN4 (с( NN4) = 8.5 х 10-5 моль г-1).

1 - N0

3

$ ^03 : NN4 , 2 - N02

; ^03, 3 - N03(2)

в ^03, 4 - N03(2) в ^03 : NN4 , 5 - N02 в KN03 : : NN4 , 6 - Ш3(1) в KN03 и ^03 : NN4 .

иона в двух магнитно-неэквивалентных положениях. Максимальная концентрация последнего достигается при Т - 210 К. В чистом нитрате калия образование N02 можно наблюдать только после цикла облучение при 77 К - разогрев образца до

1

122

БАННОВ и др.

Рис. 3. Зависимость радиационно-химического выхода нитрит-ионов при радиолизе КК03 : КЫ+ от концентрации КЫ+ .

Т > 213 К - облучение и регистрация спектра ЭПР при 77 К.

После полной гибели радикала N0^1) наблюдается дисбаланс по зарядам (концентрация центров К03 больше N0^2)), обусловленный дырочным радикалом, не наблюдаемым при 77 К методом ЭПР. Мы полагаем, что этим радикалом является N0^ обменно-связанный с атомом или молекулой кислорода в виде комплекса [N0^ 0Х], где х = 1 или 2. Центр [N0^ 02] идентифицирован при 38 К после облучения монокристаллов нитрата калия при 77 К [15]. Комплекс [N0^ 0] непосредственно наблюдать не удалось, однако его существование очевидно, поскольку он - предшественник дырочного центра [N0^ 02].

В чистом КК03, облученном при 77 К, термоотжиг радикалов Ш3(1), Ш3(2), ш2~ и [Ш2, 0Х] обусловлен их взаимной рекомбинацией с восстановлением центров до обычных узловых нитрат-ионов и образованием нейтрального, относительно анионной подрешетки, комплекса [N0^ 0Х]-.

Разрушение последнего до N02 и 0Х происходит выше 213 К, поскольку только после достижения этой температуры последующее облучение кристаллов при 77 К приводит к образованию N02 -продукта ионизации нитрит-ионов.

Начальные РХВ нитрит-ионов в чистых нитратах калия и аммония составляют (1.57 ± 0.05) х х 10-2 эВ-1 [16] и 1.64 х 10-2 эВ-1 [17] соответственно. Введение ионов аммония в матрицу нитрата калия понижает выходы нитрит-ионов (рис. 3). Причиной этого может быть следующее. При изученных концентрациях ионов аммония в нитрате калия большая часть центров [N0^ 0], по-види-

мому, будет образовываться вблизи NH+. Данное предположение подтверждается взаимодействием радикала N0^1) с одним из протонов аммония. В процессе термоотжига радикалов захват электрона на центр ([N0^ 0] NH+) приводит к образованию ([N0^ 0] NH4) с последующей диссоциацией на N02 + 0Ы + NH3. Такой состав продуктов наблюдался при изучении термоотжига радикалов в нитрате аммония [7, 18]. Если спектр ЭПР радикала N02 в КК03 : NH+ регистрируется при 150 < < Т < 250 К, то спектр радикала 0Ы выделить не удалось из-за наложения спектров радикалов

N0^ Ш3(2) и N02".

В области низкотемпературного фазового перехода Т = 213 К [14] из кристаллической решетки

КК03 : NH+ возможен выход NH3. Образование последнего обнаружено при низкотемпературном фазовом переходе масс-спектрометрическим методом в чистом нитрате аммония [7]. Однако из-за малых концентраций примеси (<1.5 х 10-4 моль г-1) в кристалле нитрата калия определить аммиак практически невозможно.

Оставшиеся в кристалле генетически связанные центры Ы0 и N02 могут образовать молекулу HN03. Если считать, что при радиолизе нитратсо-держащих матриц образование конечного продукта нитрит-иона происходит через образование

[N0^ 0], то роль NH+ при радиационно-стимули-рованном захвате электрона сводится к поставке протона к комплексу с последующим образованием молекулы азотной кислоты. В этой связи уменьшение выхода N02 становится объяснимо.

Симметрия нитрат-иона в КК03 при комнатной температуре незначительно отклоняется от 03к к С5, а именно: длина двух связей N-0 равна 1.25 А, одной 1.24 А, атом азота выходит из плоскости, образуемой атомами кислорода, на 0.01 А [19]. Относительно кристаллографических осей нитрат-ион расположен в плоскости аЬ, а связь N-0 с меньшей длиной параллельна оси а (рис. 4, положение А), которая лежит в зеркальной плоскости кристалла.

Из анализа данных угловых зависимостей определено, что радикал N0^ наблюдаемый в

КК03 : NH+ в области 150 < Т < 225 К, компланарен плоскости нитрат-иона и в данной области температур занимает два магнитно-неэквивален

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком