A kinetic study of the reactions of Fe+ with N2O, N2, O2, CO2 and H2O, and the ligand-switching reactions Fe+·X + Y → Fe+·Y + X (X = N2, O2, CO2; Y = O2, H2O)

文献情報

出版日 2005-11-04
DOI 10.1039/B508922K
インパクトファクター 3.676
著者

T. Vondrak, K. R. I. Woodcock, J. M. C. Plane


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要旨

A series of reactions involving Fe+ ions were studied by the pulsed laser ablation of an iron target, with detection of ions by quadrupole mass spectrometry at the downstream end of a fast flow tube. The reactions of Fe+ with N2O, N2 and O2 were studied in order to benchmark this new technique. Extending measurements of the rate coefficient for Fe+ + N2O from 773 K to 185 K shows that the reaction exhibits marked non-Arrhenius behaviour, which appears to be explained by excitation of the N2O bending vibrational modes. The recombination of Fe+ with CO2 and H2O in He was then studied over a range of pressure and temperature. The data were fitted by RRKM theory combined with ab initio quantum calculations on Fe+·CO2 and Fe+·H2O, yielding the following results (120–400 K and 0–103 Torr). For Fe+ + CO2: krec,0 = 1.0 × 10−29 (T/300 K)−2.31 cm6 molecule−2 s−1; krec,∞ = 8.1 × 10−10 cm3 molecule−1 s−1. For Fe+ + H2O: krec,0 = 5.3 × 10−29 (T/300 K)−2.02 cm6 molecule−2 s−1; krec,∞ = 2.1 × 10−9 (T/300 K)−0.41 cm3 molecule−1 s−1. The uncertainty in these rate coefficients is determined using a Monte Carlo procedure. A series of exothermic ligand-switching reactions were also studied at 294 K: k(Fe+·N2 + O2) = (3.17 ± 0.41) × 10−10, k(Fe+·CO2 + O2) = (2.16 ± 0.35) × 10−10, k(Fe+·N2 + H2O) = (1.25 ± 0.14) × 10−9 and k(Fe+·O2 + H2O) = (8.79 ± 1.30) × 10−10 cm3 molecule−1 s−1, which are all between 36 and 52% of their theoretical upper limits calculated from long-range capture theory. Finally, the role of these reactions in the chemistry of meteor-ablated iron in the upper atmosphere is discussed. The removal rates of Fe+ by N2, O2, CO2 and H2O at 90 km altitude are ∼0.1, 0.07, 3 × 10−4 and 1 × 10−6 s−1, respectively. The initially formed Fe+·N2 and Fe+·O2 are converted into the H2O complex at ∼0.05 s−1. Fe+·H2O should therefore be the most abundant single-ligand Fe+ complex in the mesosphere below 90 km.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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