Sinteza, karakterizacija i svojstva klastera kalijum-halogenida

Abstract

Masena spektrometrija sa Knudsen-ovom ćelijom (eng. Knudsen cell mass spectrometry, KCMS, odnosno masena spektrometrija sa efuzionom ćelijom ili masena spektrometrija molekulskog snopa) je metoda kojom se proučavaju osobine neorganskih supstanci, poput metala i njihovih legura (posebno oksida, sulfida, selenida, telurida i halogenida). Ova metoda koristi se i za dobijanje, analizu i karakterizaciju klastera, grupe konstituenata (atoma, molekula) međusobno povezanih vezama različite jačine. KCMS-om mogu se dobiti i informacije o kvalitativnom sastavu gasovite faze odnosno o identitetu molekula koji nastaju u hemijskim reakcijama pod neravnotežnim uslovima, kao i uticaju vremena, temperature i gustine fluksa upadnih čestica na brzinu stvaranja novih molekula, parcijanom pritisku svih pojedinačnih gasovitih komponenti, promenama parcijalnog pritiska sa temperaturom, kao i kinetici procesa isparavanja. Takođe, koristi se i za izračunavanje parcijalnih pritisaka pojedinačnih komponenti u zasićenoj pari korišćenjem jednačina koje povezuju jonske intenzitete i parcijalne pritiske, povezivanjem eksperimentalno određenih veličina, inteziteta jona i temperature u ćeliji sa pritiskom zasićene pare ispitivane supstance. Postojanje klastera kalijum-halogenida (KnX, X = F, Cl, Br, I) je teorijski opisano, mada do sada nisu eksperimentalno dobijeni usled velikog rasipanja jona, šuma i gubitka određene količine neutrala koji nastaju u samoj klasičnoj Knudsen-ovoj efuzionoj ćeliji, što, između ostalog, otežava identifikaciju spektra. Stoga je, u okviru ove doktorske disertacije, predloženo novo konstrukciono rešenje za primenu Knudsen-ove efuzione ćelije koje se odnosi na promenu položaja ćelije u odnosu na jonsku komoru, kao i drugačiju tehniku jonizacije – tehnika površinske ili termalne jonizacije, čime je omogućena sinteza, karakterizacija i određivanje svojstava KnX klastera. Naime, konstruisanje, na ovaj način, stabilnog izvora jona klastera, rezultiralo je u direktnom stvaranju jona, detektovanju klastera niskih jonskih prinosa, kao i karakterizaciji i određivanju svojstava određenih vrsta klastera. Upravo, koristeći klastere definisane veličine i sastava, kao elementarne komponente, omogućilo je stvaranje nereaktivnih stabilnih materijala sa unapred definisanim osobinama.

Knudsen cell mass spectrometry, KCMS, or mass spectrometry with effusion cell or molecular beam mass spectrometry, is a method for investigating properties of inorganic substances such as metals and their alloys (in particular oxide, sulfide, selenide, telluride and halogenide). This method is also used for the synthesis, analysis and characterization of clusters, groups of constituents (atoms, molecules) connected with bounds of different strength. Furthemore, it provides the information about the vapor phase qualitative composition or identity of the molecules that are formed in chemical reactions under equilibrium conditions, as well as the effects of time, temperature and incident particles flux density on generating speed of new molecules, partial pressure of individual gaseous components, changes in partial pressure with temperature, as well as the kinetics of the process of evaporation. It is also applied to calculate the partial pressures of the individual components in the saturated steam using equations that connect ion intensities and partial pressures, connecting experimentally determined size, intensity and temperature of ions in the cell with the saturated vapor pressure of tested substance. The existence of potassium halide clusters (KnX, X = F, Cl, Br, I) is theoretically described, although, till now, they have not been experimentally obtained due to the large ion spreading, noise, and loss of a certain amount of neutrals generated by common Knudsen effusion cell, which, among the other things, makes the identification of the spectrum difficult. Therefore, this doctoral dissertation, proposed a new structural solution for Knudsen's effusion cell implementation that resulted in changing the position of the cell in relation to the ion chamber, as well as the use of different ionization technique, the technique of surface or thermal ionization, enabling to synthesize, characterize and determine properties of KnX clusters. This modification provided, through the construction of a stable source of ion clusters, a direct ion generation, detection of clusters with low yields, as well as determination of the properties of certain types of clusters. Particularly, synthesis of clusters with predefined size, composition and thus, properties provides the opportunity to create new, non-reactive, stable materials.