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30.6: Las colisiones reactivas pueden estudiarse usando máquinas de haz molecular cruzado

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    Los experimentos de haz molecular cruzado son experimentos químicos donde dos haces de átomos o moléculas chocan entre sí para estudiar la dinámica de la reacción química. Estos experimentos pueden detectar colisiones reactivas individuales así como determinar la distribución de velocidades y el ángulo de dispersión de los productos de reacción. [1]

    Técnica

    En un aparato de haz molecular cruzado, dos haces colimados de átomos o moléculas en fase gaseosa, cada uno diluido lo suficiente como para ignorar las colisiones dentro de cada haz, se cruzan en una cámara de vacío, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{1a}\). Luego se mide la dirección y velocidad de las moléculas de producto resultantes. Estos datos se acoplan frecuentemente con datos espectrométricos de masas para proporcionar información sobre la partición de la energía entre los modos traslacional, rotacional y vibracional de las moléculas del producto. [2]

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    Figura\(\PageIndex{1}\) a) Un diagrama esquemático de un aparato de haz molecular cruzado. Los dos haces moleculares, cada uno conteniendo partículas de una sola especie reaccionante, se cruzan en la región de colisión. Las partículas del producto se alejan de la región de colisión. Se utiliza un espectrómetro de masas con una entrada móvil para detectar las partículas del producto. b) Un diagrama esquemático de una fuente de haz molecular supersónico. (CC BY-NC; Ümit Kaya vía LibreTexts)

    Historia

    La técnica de haz molecular cruzado fue desarrollada por Dudley Herschbach y Yuan T. Lee, por lo que fueron galardonados con el Premio Nobel de Química 1986. [3] Si bien la técnica fue demostrada en 1953 por Taylor y Datz del Laboratorio Nacional Oak Ridge, [4] Herschbach y Lee refinaron el aparato y comenzaron a sondear reacciones en fase gaseosa con un detalle sin precedentes.

    Los primeros experimentos de haz cruzado investigaron metales alcalinos como potasio, rubidio y cesio. Cuando los átomos dispersos de metal alcalino chocaron con un filamento de metal caliente, se ionizaron, creando una pequeña corriente eléctrica. Debido a que este método de detección es casi perfectamente eficiente, la técnica fue bastante sensible. [2] Desafortunadamente, este sencillo sistema de detección solo detecta metales alcalinos. Se necesitaron nuevas técnicas de detección para analizar los elementos principales del grupo.

    La detección de partículas dispersas a través de un filamento metálico dio una buena indicación de la distribución angular pero no tiene sensibilidad a la energía cinética. Para obtener información sobre la distribución de energía cinética, los aparatos de haz molecular cruzado temprano utilizaron un par de discos ranurados colocados entre el centro de colisión y el detector. Al controlar la velocidad de rotación de los discos, solo las partículas con cierta velocidad conocida podrían atravesar y ser detectadas. [2] Con información sobre la velocidad, distribución angular e identidad de las especies dispersas, se puede derivar información útil sobre la dinámica del sistema.

    Las mejoras posteriores incluyeron el uso de filtros de masa cuadrupolo para seleccionar solo los productos de interés, [5] así como espectrómetros de masas de tiempo de vuelo para permitir una fácil medición de la energía cinética. Estas mejoras también permitieron la detección de una amplia gama de compuestos, marcando el advenimiento del aparato de haz molecular cruzado “universal”.

    La inclusión de boquillas supersónicas (figura\(\PageIndex{1b}\)) para colimar los gases amplió la variedad y alcance de los experimentos, y el uso de láseres para excitar los haces (ya sea antes del impacto o en el punto de reacción) amplió aún más la aplicabilidad de esta técnica. [2]

    Referencias

    Colaboradores de Wikipedia. (2020, 16 de octubre). Haz molecular cruzado. En Wikipedia, La enciclopedia libre. Recuperado 01:21, 24 de septiembre de 2021, de https://en.Wikipedia.org/w/index.php?title=Crossed_molecular_beam&oldid=983809904

    1. Lee, Y. T. (1987). “Estudios de Haz Molecular de Procesos Químicos Elementales”. Ciencia. 236 (4803): 793-8. Código Bibcode: 1987Sci... 236.. 793T. doi: 10.1126/ciencia.236.4803.793. PMID 17777849. S2CID 45603806

    2. Herschbach, D. Nobel Lecture, 8 de diciembre de 1986

    3. Fundación Nobel Archivado 18 de julio de 2006, en la Wayback Machine

    4. Taylor, E. H.; Datz, S. (1955). “Estudio de Mecanismos de Reacción Química con Vigas Molecular. La Reacción de K con HBr*”. J. Chem. Phys. 23 (9): 1711. Código Bibcode: 1955JCHph.. 23.1711T. doi: 10.1063/1.1742417

    5. Miller, W. B.; Safron, S. A.; Herschbach, D. R. (1967). “Reacciones de intercambio de átomos alcalinos con haluros alcalinos: un mecanismo complejo de colisión”. Discutir. Faraday Soc. 44: 108—122. doi: 10.1039/DF9674400108

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