Fester Sauerstoff ist die feste Eisphase des Sauerstoffs. Er bildet sich bei Standardatmosphärendruck unterhalb von 54,36 K (−218,79 °C; −361,82 °F) . Fester Sauerstoff (O₂ ) ist , wie flüssiger Sauerstoff , eine klare Substanz von hellblauer Farbe, die durch Absorption im roten Bereich des sichtbaren Lichtspektrums entsteht .

Sauerstoffmoleküle weisen einen Zusammenhang zwischen ihrer molekularen Magnetisierung und Kristallstrukturen , elektronischen Strukturen und Supraleitung auf . Sauerstoff ist das einzige einfache zweiatomige Molekül (und eines der wenigen Moleküle überhaupt), das ein magnetisches Moment besitzt . [ 1 ] Dies macht festen Sauerstoff besonders interessant, da er als „spinkontrollierter“ Kristall gilt [ 1 ] , der in den Tieftemperaturphasen antiferromagnetische magnetische Ordnung aufweist. Die magnetischen Eigenschaften von Sauerstoff wurden umfassend untersucht. [ 2 ] Bei sehr hohem Druck wandelt sich fester Sauerstoff von einem isolierenden in einen metallischen Zustand um; [ 3 ] und bei sehr tiefen Temperaturen wird er supraleitend . [ 4 ] Strukturuntersuchungen an festem Sauerstoff begannen in den 1920er Jahren, und heute sind sechs verschiedene kristallographische Phasen eindeutig identifiziert.

Die Dichte von festem Sauerstoff variiert von 21 cm³ / mol in der α-Phase bis 23,5 cm³ / mol in der γ-Phase. [ 5 ]

Phasen

Phasendiagramm für festen Sauerstoff

Es sind sechs verschiedene Phasen von festem Sauerstoff bekannt: [ 1 ] [ 6 ]

  1. α-Phase: hellblau  – bildet sich bei 1 atm, unterhalb von 23,8 K, monokline Kristallstruktur, Raumgruppe C 2/ m (Nr. 12).
  2. β-Phase: blassblau bis rosa  – bildet sich bei 1 atm, unterhalb von 43,8 K, rhomboedrische Kristallstruktur, Raumgruppe R3m ( Nr. 166 ). Bei Raumtemperatur und hohem Druck beginnt die Umwandlung zu Tetraoxygen.
  3. γ-Phase: blassblau  – bildet sich bei 1 atm, unterhalb von 54,36 K, kubische Kristallstruktur, Pm 3 n (Nr. 223). [ 7 ] [ 8 ]
  4. δ-Phase: orange  – bildet sich bei Raumtemperatur und einem Druck von 9 GPa
  5. ε-Phase: dunkelrot bis schwarz  – bildet sich bei Raumtemperatur und Drücken über 10 GPa
  6. ζ-Phase: metallisch  – bildet sich bei Drücken über 96 GPa

Es wurde festgestellt, dass Sauerstoff bei Raumtemperatur durch Druckeinwirkung in einen Zustand namens β-Phase erstarrt. Mit weiter steigendem Druck durchläuft die β-Phase Phasenübergänge zur δ-Phase bei 9 GPa und zur ε-Phase bei 10 GPa. Aufgrund der Zunahme molekularer Wechselwirkungen ändert sich die Farbe der β-Phase über Rosa und Orange zu Rot (der stabilen Oktaoxygenphase), wobei sich die rote Farbe mit weiter steigendem Druck zu Schwarz verdunkelt. Es wurde festgestellt, dass bei weiterer Kompression von ε-Phase-Sauerstoff bei 96 GPa eine metallische ζ-Phase auftritt. [ 6 ]

Roter Sauerstoff

Wird der Sauerstoffdruck bei Raumtemperatur um 10 Gigapascal (1.500.000 psi) erhöht, durchläuft der Sauerstoff einen dramatischen Phasenübergang . Sein Volumen verringert sich deutlich [ 9 ] , und seine Farbe ändert sich von himmelblau zu tiefrot [ 10 ] . Es handelt sich dabei jedoch um eine andere Modifikation des Sauerstoffs , O₂.8nicht bloß eine andere kristalline Phase von O 2 .

Kugel-Stab-Modell von O 8Teil der Kristallstruktur von ε-Sauerstoff

Metallischer Sauerstoff

Bei weiterer Kompression von ε-phasigem Sauerstoff tritt bei 96 GPa eine ζ-Phase auf. [ 9 ] Diese Phase wurde 1990 durch Kompression von Sauerstoff auf 132 GPa entdeckt. [ 3 ] Die ζ-Phase mit metallischen Clustern [ 11 ] zeigt Supraleitung bei Drücken über 100 GPa und Temperaturen unter 0,6 K. [ 4 ] [ 6 ]

Referenzen

  1. ^ a b c Freiman, YA & Jodl, HJ (2004). „Fester Sauerstoff“. Physics Reports . 401 ( 1–4 ): 1–228 . Bibcode : 2004PhR...401....1F . doi : 10.1016/j.physrep.2004.06.002 .
  2. ^ Siehe auch: Für Arbeiten, die sich mit den magnetischen Eigenschaften von festem Sauerstoff befassen, verweisen wir auf die Magnetisierung von kondensiertem Sauerstoff oberhalb hoher Drücke und in starken Magnetfeldern von RJ Meier, CJ Schinkel und A. de Visser, J. Phys. C15 (1982) 1015–1024, Ferninfrarotabsorption, die sich mit den magnetischen Anregungen oder Spinwellen befasst, in Meier RJ, Colpa JHP und Sigg H 1984 J. Phys. C: Solid State Phys. 17 4501.
  3. Desgreniers , S. , Vohra, Y. K. & Ruoff, A. L. ( 1990). „Optische Reaktion von festem Sauerstoff sehr hoher Dichte auf 132 GPa“. The Journal of Physical Chemistry . 94 (3): 1117–1122 . Bibcode : 1990JPhCh..94.1117D . doi : 10.1021/j100366a020 .{{cite journal}}: CS1 Wartung: Mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  4. ^ a b Shimizu, K., Suhara, K., Ikumo, M., Eremets, MI & Amaya, K. (1998). „Supraleitung in Sauerstoff“. Natur . 393 (6687): 767–769 . Bibcode : 1998Natur.393..767S . doi : 10.1038/31656 . S2CID 205001394 . {{cite journal}}: CS1 Wartung: Mehrere Namen: Autorenliste ( Link )
  5. ^ Roder, H. M. (1978). „Das molare Volumen (die Dichte) von festem Sauerstoff im Gleichgewicht mit Dampf“. Journal of Physical and Chemical Reference Data . 7 (3): 949–958 . Bibcode : 1978JPCRD...7..949R . doi : 10.1063/1.555582 .
  6. ^ a b c Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (2006). „Feste Sauerstoff-ε-Phasen-Kristallstruktur bestimmt zusammen mit der Entdeckung eines roten Sauerstoff-O₈ - Clusters“ . AZoNano . Abgerufen am 10.01.2008 .
  7. ^ Jordan, TH; Streib, WD; Smith, HW; Lipscomb, WN (1964-06-01). „Einkristalluntersuchungen von β-F₂ und γ-O₂ “ . Acta Crystallographica . 17 (6). Internationale Union für Kristallographie (IUCr): 777–778 . doi : 10.1107/s0365110x6400202x . ISSN 0365-110X . 
  8. ^ DeFotis, Gary C. (1981-05-01). „Magnetismus von festem Sauerstoff“. Physical Review B. 23 ( 9). American Physical Society (APS): 4714–4740 . Bibcode : 1981PhRvB..23.4714D . doi : 10.1103/physrevb.23.4714 . ISSN 0163-1829 . 
  9. ^ a b Akahama, Yuichi; Kawamura, Haruki; Häusermann, Daniel; Hanfland, Michael; Shimomura, Osamu (Juni 1995). „Neuer Strukturübergang von Sauerstoff bei hohem Druck (96 GPa) in Verbindung mit der Metallisierung in einem molekularen Festkörper“. Physical Review Letters . 74 (23): 4690–4694 . Bibcode : 1995PhRvL..74.4690A . doi : 10.1103/PhysRevLett.74.4690 . PMID 10058574 . 
  10. ^ Nicol, Malcolm; Hirsch, K. R.; Holzapfel, Wilfried B. (Dezember 1979). „Sauerstoffphasengleichgewichte nahe 298 K“. Chemical Physics Letters . 68 (1): 49–52 . Bibcode : 1979CPL....68...49N . doi : 10.1016/0009-2614(79)80066-4 .
  11. ^ Edwards, Peter P.; Hensel, Friedrich (14.01.2002). „Metallischer Sauerstoff“. ChemPhysChem . 3 (1). Weinheim, Deutschland: WILEY-VCH-Verlag: 53– 56. doi : 10.1002/1439-7641(20020118)3:1<53::AID-CPHC53>3.0.CO;2-2 . PMID 12465476 .