Superatom

In der Chemie bezeichnet man als Superatom eine Ansammlung von Atomen , die einige Eigenschaften von Elementaratomen aufweisen. ^{[ 1 ]} Ein Beispiel für ein Superatom ist die Al- Gruppe.₁₃⁻. ^{[ 2 ]}

Natriumatome kondensieren beim Abkühlen aus dem Dampfzustand auf natürliche Weise zu Clustern, die bevorzugt eine magische Anzahl von Atomen enthalten (2, 8, 20, 40, 58 usw.). Dabei befindet sich das äußerste Elektron jedes Atoms in einem Orbital , das alle Atome des Clusters umfasst. Superatome verhalten sich chemisch tendenziell so, dass sie in diesem neuen Zählschema eine abgeschlossene Elektronenschale aufweisen können.

Superhalogene sind Atomcluster mit einer höheren Elektronenaffinität als Chlor , dem Atom mit der höchsten Elektronenaffinität (3,62 eV). Das Konzept wurde 1981 von Gennady L. Gutsev und Alexander I. Boldyrev erstmals formalisiert. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Ihre experimentelle Identifizierung erfolgte 1999 und löste eine Welle nachfolgender Forschung auf diesem Gebiet aus. ^{[ 5 ]}

Superalkalien sind Atomcluster mit einer niedrigeren Ionisierungsenergie als Cäsium , das Atom mit der niedrigsten Ionisierungsenergie (3,89 eV). Das Konzept wurde erstmals 1982 von Gutsev und Boldryev formalisiert. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

Bestimmte Aluminiumcluster weisen Superatom-Eigenschaften auf. Diese Aluminiumcluster entstehen als Anionen ( Al₂) .⁻ _nmit n = 1, 2, 3, … ) in Heliumgas und wurde mit einem iodhaltigen Gas umgesetzt. Bei der massenspektrometrischen Analyse erwies sich Al als Hauptreaktionsprodukt.₁₃ICH⁻[ ^{8 ]} Diese Cluster aus 13 Aluminiumatomen mit einem zusätzlichen Elektron reagieren scheinbar nicht mit Sauerstoff ^, wenn dieser im selben Gasstrom zugeführt wird. Dies deutet auf einen halogenidartigen Charakter und eine magische Zahl von 40 freien Elektronen hin. Ein solcher Cluster wird als Superhalogen bezeichnet. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} Die Clusterkomponente in Al₁₃ICH⁻Das Ion ähnelt einem Iodid- Ion oder besser noch einem Bromid -Ion. Das verwandte Al₁₃ICH⁻ ₂Es wird erwartet, dass sich der Cluster chemisch ähnlich wie das Triiodid- Ion verhält. ^{[ 8 ]}

In ähnlicher Weise wurde festgestellt, dass Al₁₄Cluster mit 42 Elektronen (2 mehr als die magische Zahl) scheinen die Eigenschaften eines Erdalkalimetalls aufzuweisen , das typischerweise +2-Wertigkeitszustände annimmt . Dies tritt bekanntermaßen nur dann auf, wenn mindestens 3 Iodatome an ein Al-Atom gebunden sind.⁻ ₁₄Cluster, Al₁₄ICH⁻ ₃Der anionische Cluster besitzt insgesamt 43 bewegliche Elektronen, wobei die drei Iodatome jeweils eines dieser beweglichen Elektronen abgeben, sodass 40 Elektronen in der Jelliumschale verbleiben . ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Atomcluster aus Edelgasatomen lassen sich besonders einfach und zuverlässig mittels Computersimulation untersuchen, da die Wechselwirkung zwischen zwei Atomen sehr gut durch das Lennard-Jones-Potential angenähert werden kann . Andere Methoden stehen ebenfalls zur Verfügung, und es hat sich gezeigt, dass die magischen Zahlen 13, 19, 23, 26, 29, 32, 34, 43, 46, 49, 55 usw. sind. ^{[ 15 ]}

• Al₇Die Eigenschaften ähneln denen von Germaniumatomen .
• Al₁₃Die Eigenschaft ist ähnlich der von Halogenatomen , genauer gesagt von Chlor .
  • Al₁₃ICH⁻ _x, wobei x = 1–13 . ^{[ 16 ]}
• Al₁₄Die Eigenschaften ähneln denen der Erdalkalimetalle .
  • Al₁₄ICH⁻ _x, wobei x = 1–14 . ^{[ 16 ]}
• Al₂₃
• Al₃₇
• Al₅O⁻ ₄^{[ 17 ]}

• Li(HF) ₃ Li = Das Innere des (HF) ₃ bewirkt, dass 2 Valenzelektronen des Li das gesamte Molekül umkreisen, als wäre es ein Atomkern. ^{[ 18 ]}
• Li(NH ₃ ) ₄ = hat ein diffuses Elektron, das um Li(NH ₃ ) kreist+4Der Kern ahmt ein Alkalimetallatom nach. ^{[ 19 ] [ 20 ]}
• Be(NH ₃ ) ₄ = hat zwei diffuse Elektronen, die um Be(NH ₃ ) kreisenAb 2 Jahren4Kern, d.h., ahmt das He-Atom nach. ^{[ 21 ] [ 20 ]}

• VSi ₁₆ F = besitzt ionische Bindungen. ^{[ 22 ]}
• Ein Cluster aus 13 Platinatomen wird stark paramagnetisch , viel stärker als Platin selbst. ^{[ 23 ]}

Superatomkomplexe sind eine spezielle Gruppe von Superatomen, die einen durch organische Liganden stabilisierten Metallkern enthalten. In thiolatgeschützten Goldclusterkomplexen kann eine einfache Elektronenzählregel verwendet werden, um die Gesamtzahl der Elektronen ( n_{_e} ) zu bestimmen, die einer magischen Zahl entspricht :

${\displaystyle n_{e}=N\nu _{A}-Mz}$

Dabei ist N die Anzahl der Metallatome (A) im Kern, v die Atomvalenz, M die Anzahl der elektronenziehenden Liganden und z die Gesamtladung des Komplexes. ^{[ 24 ]} Beispielsweise besitzt Au _₁₀₂ (p-MBA) _₄₄ 58 Elektronen und entspricht einer abgeschlossenen magischen Elektronenschale. ^{[ 25 ]}

• Au ₂₅ (SMe)−18^{[ 26 ]}
• Au ₁₀₂ ( p -MBA ) ₄₄ ^{[ 27 ]}
• Au ₁₄₄ (SR) ₆₀ ^{[ 28 ]}

• Ga ₂₃ (N(Si(CH ₃ ) ₃ ) ₂ ) ₁₁ ^{[ 29 ]}
• Al ₅₀ (C ₅ (CH ₃ ) ₅ ) ₁₂ ^{[ 30 ]}
• Re₆Se₈Cl₂ _– Im Jahr ₂₀₁₈ stellten Forscher 15 nm dicke Schichten dieses superatomaren Materials her. Sie gehen davon aus _, dass eine Monolage ein superatomarer 2D-Halbleiter sein wird und neue 2D-Materialien mit ungewöhnlichen, einstellbaren Eigenschaften bietet. ^{[ 31 ]}
• Organo-Zintl-basierte Superatome: [ Ge ₉ (CHO) ₃ ] und [ Ge ₉ (CHO) ] ^{[ 32 ]}
• [Cu ₄₃ Al ₁₂ ](Cp*) ₁₂ ^{[ 33 ]}

• Bose-Einstein-Kondensat
• Verkettung
• Metallaromatizität
• Quantenpunkt

• „Designer Magnetic Superatoms“, JU Reves et al. 2009 doi : 10.1038/nchem.249
• „Eine einheitliche Sichtweise auf ligandengeschützte Goldcluster als Superatomkomplexe“, M. Walter et al. 2008 doi : 10.1073/pnas.0801001105
• „Gold Superatom Complexes“, PD Jadzinsky et al. 2007 doi : 10.1126/science.1148624
• „Mehrwertige Superatome“, JU Reveles, SN Khanna, PJ Roach und AW Castleman Jr., 2006 doi : 10.1073/pnas.060878110