Введение
Свободный электрон в растворе, часто в жидком аммиаке. Сольватованный электрон – это свободный электрон в растворе, который ведет себя как анион. Сольватация электрона в растворе означает, что он связан с растворителем. Обозначение сольватованного электрона в формулах химических реакций – "e−". Часто обсуждение сольватованных электронов сосредотачивается на их растворах в аммиаке, которые стабильны в течение нескольких дней, однако сольватованные электроны также встречаются в воде и многих других растворителях, фактически, в любом растворителе, способствующем переносу электронов во внешней сфере. Солватный электрон играет важную роль в радиационной химии.
A solvated electron is a free electron in a solution, in which it behaves like an anion. An electron's being solvated in a solution means it is bound by the solution. The notation for a solvated electron in formulas of chemical reactions is "e−". Often, discussions of solvated electrons focus on their solutions in ammonia, which are stable for days, but solvated electrons also occur in water and many other solvents in fact, in any solvent that mediates outer sphere electron transfer. The solvated electron is responsible for a great deal of radiation chemistry.
Исследование случая: Ли в NH3
Раствор лития в аммиаке при температуре -60 °C насыщен примерно 15 мол.% металла (МПМ). При увеличении концентрации в этом диапазоне электропроводность возрастает от 10−2 до 104 Ом−1 см−1 (превышая электропроводность жидкой ртути). Около 8 МПМ происходит "переход в металлическое состояние" (ТМС), также называемый "переходом металл-диэлектрик" (ПМД). При 4 МПМ наблюдается расслоение жидкости на две фазы: менее плотная, золотистого цвета, становится несмешиваемой с более плотной, синей фазой. При концентрациях выше 8 МПМ раствор приобретает бронзовый или золотистый оттенок. В том же диапазоне концентраций общая плотность уменьшается на 30%.
Другие растворители
В некоторых небольших первичных аминах, таких как метиламин, этиламин и гексаметилфосфорамид, щелочные металлы также растворяются, образуя синие растворы. Тетрагидрофуран растворяет щелочные металлы, но аналог восстановления Бирча (см.) не протекает без лиганда диамина. Растворы сольватированных электронов щелочноземельных металлов – магния, кальция, стронция и бария – в этилендиамине использовались для интеркаляции графита этими металлами.
Вода
Сольватированные электроны участвуют в реакции щелочных металлов с водой, несмотря на то, что сольватированный электрон имеет лишь кратковременное существование. При pH ниже 9,6 гидратированный электрон реагирует с ионом гидроксония, образуя атомный водород, который, в свою очередь, может реагировать с гидратированным электроном, образуя гидроксид-ион и обычный молекулярный водород H2. Сольватированные электроны могут быть обнаружены даже в газовой фазе. Это указывает на возможность их существования в верхних слоях атмосферы Земли и участия в нуклеации и образовании аэрозолей. Его стандартный электродный потенциал равен 2,77 В. Эквивалентная проводимость 177 Мо·см² аналогична эквивалентной проводимости гидроксид-иона. Это значение эквивалентной проводимости соответствует коэффициенту диффузии 4,75 см²/с.
Приложения
Сольватированные электроны участвуют в электродных процессах – обширной области с многочисленными техническими применениями (электросинтез, электроосаждение, электроэкстракция). Специализированным применением растворов натрия в аммиаке является восстановление по Бирчу. Считается, что другие реакции, в которых натрий используется как восстановитель, также протекают с участием сольватированных электронов, например, использование натрия в этаноле, как в восстановлении Буво-Блана. Работы Каллена и др. показали, что металлоаммиачные растворы могут быть использованы для интеркаляции различных слоистых материалов, которые затем можно отшелушить в полярных апротонных растворителях для получения ионных растворов двухмерных материалов. Примером является интеркаляция графита калием и аммиаком, после чего происходит эксфолиация при спонтанном растворении в ТГФ с образованием раствора графенида.
История
Наблюдение за цветом растворов металлических электродов обычно приписывается Хамфри Дэви. В 1807–1809 годах он исследовал добавление частиц калия в газообразный аммиак (сжижение аммиака было изобретено в 1823 году). Джеймс Баллантайн Ханней и Дж. Хогарт повторили эксперименты с натрием в 1879–1880 годах. В. Вейль в 1864 году и К. А. Сили в 1871 году использовали жидкий аммиак, в то время как Гамильтон Кейди в 1897 году соотнес ионизирующие свойства аммиака со свойствами воды. Чарльз А. Краус измерил электрическую проводимость растворов металлов в аммиаке и в 1907 году объяснил её электронами, высвобождаемыми из металла. В 1918 году Г. Э. Гибсон и В. Л. Арго предложили концепцию сольватированного электрона. Они отметили, основываясь на спектрах поглощения, что различные металлы и различные растворители (метиламин, этиламин) дают один и тот же синий цвет, который объясняется наличием общего вида – сольватированного электрона. В 1970-х годах были охарактеризованы твердые соли, содержащие электроны в качестве анионов.