Длины связей и энергии An 4f-электронов в AnO2 (An = Cf–Lr)

封面

如何引用文章

全文:

详细

В результате экстраполяции известных экспериментальных данных AnO2 (An = Th, U–Bk), представленных в единой шкале, в которой энергия связи Eb(O 1s) = 529.9 эВ, оценены длины и энергии связей An 4f-электронов в AnO2 (An = Cf–Lr). Для длин связей наблюдается качественное согласие с результатами, полученными в ионном приближении, а для энергий An 4f-электронов установлены значения с погрешностью ±0.4 эВ, что на порядок меньше известных табличных значений. Результаты о строении диоксидов актиноидов необходимы для релятивистских расчетов спектров рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии валентных электронов AnO2, а энергии An 4f-электронов – для построения количественных схем молекулярных орбиталей AnO2. Эти данные позволят изучить общие закономерности формирования особенностей электронного строения и характера химической связи в ряду AnO2 (An = Th–Lr).

全文:

ВВЕДЕНИЕ

Изучению строения и физико-химических свойств диоксидов легких актиноидов [1, 2], сложных оксидов [3] и других соединений актиноидов [4] уделяется большое внимание.

Величины энергии связи (Eb, эВ) An 4f-электронов являются важными характеристиками актиноидов [5–9] и необходимы, в частности, для определения степени окисления актиноидов в соединениях методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) [8] и создания количественных схем молекулярных орбиталей (МО) таких соединений [8, 10, 11]. При изменении степени окисления актиноида в соединении на единицу наблюдается химический сдвиг (∆Eb, эВ) линии An 4f-электронов примерно на 1 эВ. При этом энергия связи электронов может быть измерена с погрешностью ±0.1 эВ. Величины энергии связи, опубликованные в работах [5–8, 10, 11], зависят от калибровки энергетической шкалы РФЭС относительно энергии эталонной линии спектров внешнего или внутреннего стандарта и могут значительно отличаться при разных измерениях. Это особенно относится к последней трети ряда актиноидов, для которых погрешность в оценке энергии связи An 4f-электронов достигает ±5 эВ [5]. Поэтому необходима более корректная оценка энергии связи An 4f-электронов экспериментальных и теоретических спектров РФЭС диоксидов актиноидов в единой энергетической шкале.

При изучении особенностей электронного строения и характера химической связи диоксидов актиноидов необходимы данные о длинах связей LAn-O всего ряда, для последней трети которого такие данные отсутствуют.

Цель настоящей работы состояла в оценке длин связей LAn-O и определении энергии связи An 4f-электронов в AnO2 (An = Cf–Lr).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Длины связей LAn-O в AnO2 (An = Cf–Lr). В настоящей работе результаты были получены в приближении, что ближайшим окружением An в AnO2 является кластер AnO8 (An = Th‒Lr) точечной группы симметрии D4h, представляющий собой куб, в центре которого находится ион актиноида, а вершины образуют восемь ионов кислорода.

Длины связей были оценены также в ионном приближении (табл. 1). Вначале с использованием известных ионных радиусов RAn4+ для 90 ≤ Z ≤ 96 [12] методом экстраполяции были определены величины RAn4+ для 97 ≤ Z ≤ 103 (табл. 1). Затем к величинам RAn4+ прибавили радиусы иона кислорода O2– по Полингу (1.40 Å) и Гольдшмидту (1.45 Å) [12] (табл. 1). Видно, что LAn-O, полученные в результате экстраполяции экспериментальных данных, качественно согласуются с результатами ионного приближения.

 

Таблица 1. Ионные радиусы RAn4+ (Å) актиноидов и длины связей LAn-O (Å) в AnO2; значения, найденные в результате экстраполяции, приведены в скобках

Z

AnO2

RAn4+

LAn-O (П)*

RAn-O

LAn-O (Г)*

90

ThO2

0.99 [12]

2.39

2.425 [13]

2.44

91

PaO2

0.96 [12]

2.36

2.385 [14]

2.41

92

UO2

0.93 [12]

2.33

2.373 [15]

2.38

93

NpO2

0.92 [12]

2.32

2.354 [16]

2.37

94

PuO2

0.90 [12]

2.30

2.337 [17]

2.35

95

AmO2

0.89 [12]

2.29

2.329 [18]

2.34

96

CmO2

0.88 [12]

2.28

2.323 [19]

2.33

97

BkO2

(0.87)

2.27

2.310 [20]

2.32

98

CfO2

(0.86)

2.26

2.299 [21]

2.31

99

EsO2

(0.85)

2.25

(2.288)

2.30

100

FmO2

(0.84)

2.24

(2.279)

2.29

101

MdO2

(0.83)

2.23

(2.267)

2.28

102

NoO2

(0.82)

2.22

(2.259)

2.27

103

LrO2

(0.81)

2.21

(2.248)

2.26

Примечание. Z – заряд ядра Аn.

*Значения LAn-O (П), LAn-O (Г) найдены путем сложения ионных радиусов An (RAn4+) и O2– по Полингу (1.40 Å) и Гольдшмидту (1.45 Å) [12].

 

В табл. 1 (5-й столбец) приведены значения длин связей LAn-O, которые необходимы для расчета электронного строения AnO2 (An = Th‒Lr) релятивистским методом дискретного варьирования (РДВ). Для 90 ≤ Z ≤ 98 приведены экспериментальные значения [13–21], а в скобках – величины, полученные в результате их экстраполяции.

Полученные результаты необходимы для расчета электронного строения AnO2 (An = = Cf–Lr) в кластерном приближении метода РДВ (см. [9–11]).

Энергии связи An 4f-электронов в AnO2. Для оценки энергий связи An 4f-электронов в AnO2 (An = Es‒Lr) экстраполяцией соответствующих известных для AnO2 (An = Th, U‒Bk) экспериментальных величин была проведена новая единая калибровка энергетической шкалы известных экспериментальных спектров РФЭС An 4f-электронов (табл. 2). В этой шкале энергия связи O 1s-электронов AnO2 (внутренний эталон) равна Eb(O 1s) = = 529.9 ± 0.1 эВ, а энергия связи C 1s-электронов насыщенных углеводородов на поверхности образцов приблизительно равна Eb(С 1s) = 285 эВ (внешний эталон). Значение Eb(Cf 4f7/2) = 523.9 эВ для CfO2 получено в результате оценки с учетом данных РФЭС для Cf2O3 [6] путем увеличения на 1 эВ.

 

Таблица 2. Энергии связи (Eb, эВ) An 4f7/2-электронов и величины спин-орбитального расщепления (∆Esl(An 4f), эВ) в AnO2; значения, найденные в настоящей работе в результате экстраполяции, приведены в скобках

Z

AnO2

Eb (An 4f7/2)*

∆Esl(An 4f)

Литература

90

ThO2

334.1

9.3

[9]

91

PaO2

356.8 ± 0.4

10.1 ± 0.3

[9]

92

UO2

379.7

10.8

[9]

93

NpO2

402.8

11.7

[6, 9]

94

PuO2

425.9

12.7

[6, 9]

95

AmO2

449.1

14.0

[6, 9]

96

CmO2

472.5

14.7

[6, 9]

97

BkO2

498.9

15.9

[6, 9]

98

CfO2

(523.9 ± 0.4)

(16.7 ± 0.3)

 

99

EsO2

(548.4 ± 0.4)

(17.6 ± 0.3)

 

100

FmO2

(574.3 ± 0.4)

(18.6 ± 0.3)

 

101

MdO2

(600.6 ± 0.4)

(19.5 ± 0.3)

 

102

NoO2

(627.3 ± 0.4)

(20.5 ± 0.3)

 

103

LuO2

(654.5 ± 0.4)

(21.4 ± 0.3)

 

*Величины энергий приведены в шкале, в которой Eb(O 1s) = 529.9 эВ для известных спектров РФЭС AnO2 c 90, 92 ≤ Z ≤ 97 [6, 9].

 

Энергии связи An 4f7/2-электронов (с погрешностью ±0.4 эВ) и величины спин-орбитального расщепления An 4f-электронов (c погрешностью ±0.3 эВ) в AnO2 (An = Pa, Cf‒Lr) были получены интерполяцией и экстраполяцией приведенных к единой шкале экспериментальных величин энергии связи для AnO2 (An = Th, U‒Cf) с использованием уравнений (1), (2) (рис. 1, табл. 2):

Eb(An 4f7/2) = 0.21255Z 2 – 16.43351Z + 92.16, (1)

∆Esl(An 4f ) = 0.95Z – 76.425, (2)

где Eb – энергия связи электронов, ΔEsl – величина спин-орбитального расщепления, Z – атомный номер актиноида, R2 = 0.99991 (коэффициент корреляции). Зависимости (1), (2) использовались при оценке Eb и ΔEsl для PaO2 и CfO2 [9].

 

Рис. 1. Зависимости энергии связи (а) и величины спин-орбитального расщепления (б) от заряда ядер Z(An) в AnO2 (An = Th‒Lr): • – экспериментальные величины приведены с учетом Eb(O 1s); ◦ – значения, полученные в результате интерполяции и экстраполяции известных экспериментальных величин.

 

Доверительная погрешность (∆g,t) найденных в результате интерполяции и экстраполяции энергий связи 4f7/2-электронов и величин спин-орбитального расщепления An 4f-электронов была оценена для вероятности γ = 0.99 по уравнению [22]:

Δγ,t=±tγ,f1nn-1∑i=1nyZтеор-yZэксп2, (3)

где tg,f – значение случайной величины (распределение Стьюдента) для доверительной вероятности γ и числа степеней свободы f, n – число измерений, у(Z)теор и y(Z)эксп – рассчитанные по уравнениям (1), (2) и экспериментальные значения измеряемой величины соответственно.

В результате на основе известных экспериментальных спектров РФЭС для AnO2 (An = = Th, U‒Bk), откалиброванных относительно Eb(О 1s) = 529.9 эВ, в данной работе определены величины энергии связи An 4f-электронов (с погрешностью ±0.4 эВ) и спин-орбитального расщепления (с погрешностью ±0.3 эВ) для AnO2 (Pa, Cf‒Lr).

Эти результаты необходимы для построения количественных схем валентных МО диоксидов AnO2 (см., например, [9–11, 23–25]), позволяющих понять особенности электронного строения, характер химической связи и сложную структуру спектров РФЭС валентных электронов актиноидов конца периода в AnO2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате экстраполяции известных экспериментальных данных AnO2 (An = Th, U–Bk) была выполнена оценка длин LAn-O и энергий связей An 4f-электронов в диоксидах актиноидов AnO2 (An = Cf–Lr).

Для длин связей LAn-O наблюдается качественное согласие с результатами, полученными в ионном приближении, а для энергий связей An 4f-электронов установлены значения с погрешностью ±0.4 эВ, что на порядок меньше табличных значений. Данные о строении необходимы для релятивистских расчетов сложной структуры РФЭС спектров валентных электронов, а энергии связей An 4f-электронов – для построения количественных схем МО AnO2.

В совокупности с имеющимися экспериментальными и теоретическими РФЭС спектрами валентных электронов полного ряда диоксидов актиноидов эти данные позволят провести анализ особенностей электронного строения и характера химической связи в диоксидах актиноидов, а также механизма формирования сложной структуры РФЭС спектров валентных электронов в диапазоне энергий связи от 0 до ~50 эВ.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа проведена в рамках выполнения государственного задания НИЦ “Курчатовский институт” и в соответствии с государственным заданием Института химии твердого тела УрO РАН (тема № 124020600024-5).

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

×

作者简介

Ю. Тетерин

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: antonxray@yandex.ru
俄罗斯联邦, Ленинские горы, 1, Москва, 119991; пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

А. Путков

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: antonxray@yandex.ru
俄罗斯联邦, пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

А. Тетерин

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

编辑信件的主要联系方式.
Email: antonxray@yandex.ru
俄罗斯联邦, пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

М. Рыжков

Институт химии твердого тела УрО Российской академии наук

Email: antonxray@yandex.ru
俄罗斯联邦, ул. Первомайская, 91, Екатеринбург, 620990

К. Маслаков

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: antonxray@yandex.ru
俄罗斯联邦, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

К. Иванов

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: antonxray@yandex.ru
俄罗斯联邦, пл. Академика Курчатова, 1, Москва, 123182

С. Калмыков

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: antonxray@yandex.ru
俄罗斯联邦, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

В. Петров

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: antonxray@yandex.ru
俄罗斯联邦, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

参考

  1. Rai B.K., Bretana A., Morrison G., Greer R., Gofryk K., zur Loye H.-C. Crystal Structure and Magnetism of Actinide Oxides: A Review // Rep. Prog. Phys. 2024. V. 87. № 6. P. 066501. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ad38cb
  2. Pereiro F.A., Galley S.S., Jackson J.A., Shafer J.C. Contemporary Assessment of Energy Degeneracy in Orbital Mixing with Tetravalent f-Block Compounds // Inorg. Chem. 2024. V. 63. P. 9687−9700. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.3c03828
  3. Legg F., Harding L.M., Lewis J.C., Nicholls R., Green H., Steele H., Springell R. Epitaxial Light Actinide Oxide Thin Films // Thin Solid Films. 2024. V. 790. P. 140194. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2023.140194
  4. Serezhkin V.N., Serezhkina L.B. Features of Actinide Contraction in Crystals AnN, AnP, and AnAs (An = Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk) // Radiochemistry. 2022. V. 64. № 5. P. 603–607. https://doi.org/10.1134/S1066362222050034
  5. Sevier K.D. Atomic Electron Binding Energy // At. Data Nucl. Data Tables. 1979. V. 24. № 4. P. 323–371. https://doi.org/10.1016/0092-640x(79)90012-3
  6. Veal B.W., Lam D.J., Diamond H., Hoekstra H.R. X-ray Photoelectron Spectroscopy Study of Oxides of the Transuranium Elements Np, Pu, Am, Cm, Bk and Cf // Phys. Rev. B. 1977. V. 15. № 6. P. 2929‒2942. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.15.2929
  7. Krause M.O., Haire R.G., Keski-Rahkonen O., Peterson J.R. Photoelectron Spectrometry of the Actinides from Ac to Es // J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 1988. V. 47. P. 215–226. https://doi.org/10.1016/0368-2048(88)85013-8
  8. Putkov A.E., Maslakov K.I., Teterin A.Yu., Teterin Yu.A., Ryzhkov M.V., Ivanov K.E., Kalmykov S.N., Petrov V.G. Structure of the XPS Spectra of a ThO2 Crystal Film // Radiochemistry. 2022. V. 64. № 2. P. 133–142. https://doi.org/10.1134/S1066362222020035
  9. Тетерин Ю.А., Рыжков М.В., Путков А.Е., Маслаков К.И., Тетерин А.Ю., Иванов К.Е., Калмыков С.Н., Петров В.Г. Природа химической связи и структура рентгеновского фотоэлектронного спектра РаО2 // Журн. неорган. химии. 2022. Т. 67. № 6. С. 817‒824. https://doi.org/10.31857/S0044457X22060289
  10. Putkov A.E., Teterin Yu.A., Ryzhkov M.V., Maslakov K.I., Teterin A.Yu., Ivanov K.E., Kalmykov S.N., Petrov V.G. The Valence XPS Structure and the Nature of Chemical Bond in CmO2 // Radiochemistry. 2021. V. 63. № 4. P. 401–412. https://doi.org/10.1134/S1066362221040020
  11. Putkov A.E., Teterin Yu.A., Ryzhkov M.V., Teterin A.Yu., Maslakov K.I., Ivanov K.E., Kalmykov S.N., Petrov V.G. Electronic Structure and Nature of Chemical Bonds in BkO2 // Russ. J. Phys. Chem. A. 2021. V. 95. № 6. P. 1169‒1176. https://doi.org/ 10.1134/S0036024421060212
  12. Коттон Ф., Уилкинскон Д. Современная неорганическая химия в 3 ч. М.: Мир, 1969. 596 с.
  13. Keller C. Thorium. Berlin, Heidelberg: Springer, 1978. 256 p.
  14. Roberts L.E.J., Walter A.J. Physico-Chimie Du Protactinium /Eds. Bouissieres G., Mixart R. Paris: Centre National de la Recherche Scientifique, 1966. 351 p.
  15. Рафальский Р.П., Алексеев В.А., Ананьева Л.А. Фазовый состав синтетических и природных окислов урана // Геохимия. 1979. № 11. С. 1601–1615.
  16. Lander G.H., Mueller M.H. Magnetically Induced Lattice Distortions in Actinide Compounds // Phys. Rev. B. 1974. V. 10. P. 1994–2003. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.10.1994
  17. Chikalla T.D., McNeilly C.E., Skavdahl R.E. The Plutonium-oxygen System // J. Nucl. Mater. 1964. V. 2. P. 131–141. https://doi.org/10.1016/0022-3115(64)90132-1
  18. Nishi T., Nakada M., Itoh A., Suzuki C., Hirata M., Akabori M. EXAFS and XANES Studies of Americium Dioxide with Fluorite Structure // J. Nucl. Mater. 2008. V. 374. № 3. P. 339–343. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.09.001
  19. Asprey L.B., Ellinger F.H., Fried S., Zachariasen W.H. Evidence for Quadrivalent Curium: X-ray Data on Curium Oxides // J. Am. Chem. Soc. 1955. V. 77. № 6. P. 1707–1708. https://doi.org/10.1021/ja01611a108
  20. Baybarz R.D. The Berkelium Oxide System // J. Inorg. Nucl. Chem. 1968. V. 30. № 7. P. 1769–1773. https://doi.org/10.1016/0022-1902(68)80352-5
  21. Baybarz R.D., Haire R.G., Fahey J.A. On the Californium Oxide System // J. Inorg. Nucl. Chem. 1972. V. 34. № 2. P. 557–565. https://doi.org/ 10.1016/0022-1902(72)80435-4.
  22. Основы радиохимии и радиоэкологии. Практикум МГУ им. М.В. Ломоносова. / Под ред. Афанасова М.И. М.: ЗАО “Принт-Ателье”, 2016. 112 с.
  23. Teterin Yu.A., Putkov A.E., Ryzhkov M.V., Maslakov K.I., Teterin A.Yu., Ivanov K.E., Kalmykov S.N., Petrov V.G. Chemical Bond in FmO2 // Mendeleev Commun. 2023. V. 33. № 5. P. 605–607. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2023.09.004
  24. Putkov A.E., Maslakov K.I., Teterin Yu.A., Ryzhkov M.V., Teterin A.Yu., Ivanov K.E., Kalmykov S.N., Petrov V.G. Electronic Structure of Dioxide CfO2 // J. Struct. Chem. 2022. V. 62. № 12. P. 1846‒1856. https://doi.org/ 10.1134/S0022476621120040
  25. Putkov A.E., Teterin Yu.A., Trigub A.L., Yudintsev S.V., Stefanovskaya O.I., Ivanov K.E., Kalmykov S.N., Petrov V.G. XAS Study of Murataite-based Ceramics and Crystalline Film of ThO2 // Mendeleev Commun. 2023. V. 33. P. 135–137. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2023.01.043

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Dependences of the binding energy (a) and the magnitude of spin-orbit splitting (b) on the charge of nuclei Z(An) in AnO2 (An = Th‒Lr): • – experimental values ​​are given taking into account Eb(O 1s); ◦ – values ​​obtained as a result of interpolation and extrapolation of known experimental values.

下载 (415KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».