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.

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.