Superátomo

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Un superátomo es cualquier cluster de átomos que parece que exhiben alguna de las propiedades de los átomos elementales.

Los átomos de Sodio, cuando se enfrían partiendo de vapor, se condensan naturalmente en clusters y contienen preferentemente un número mágico de átomos (2, 8, 20, 40, 58, etc.). Los dos primeros pueden ser reconocidos como el número de electrones que se necesitan para rellenar la primera y segunda capa respectivamente. La sugerencia de superátomo es tal que los electrones libres del cluster ocupan un nuevo conjunto de orbitales que están definidos por todo el grupo de átomos, es decir, el cluster en lugar de cada átomo por separado (los clusters no esféricos o dopados muestran desviaciones en el número de electrones que forman un nivel cerrado ya que el potencial está definidado por la forma de los núcleos positivos.) Los superátomos tienden a comportarse químicamente de manera que puedan tener un nivel completo de electrones en este nuevo escenario. Por lo tanto, un superátomo al que le sobre un electrón lo donará muy fácilmente, similar al comportamiento de los metales alcalinos, y un cluster al que le falte un electrón para completar un nivel debe tener una afinidad electrónica muy alta, como tienen los halógenos.

Clusters de aluminio[editar]

Ciertos clusters de aluminio tienen propiedades supertómicas. Estos clusters de aluminio se generan como aniones (Aln con n=1, 2, 3, ...) en helio gaseoso y reaccionan con un gas que contiene yodo. Cuando se analizan mediante espectometría de masas uno de los principales productos de la reacción resulta ser Al13I.[1] Estos clusteres de 13 átomos de aluminio con un electrón extra no reaccionan con el oxígeno cuando se introducen en el mismo gas. Si se asume que cada átomo libera sus 3 electrones de valencia, esto significaría que hay 40 electrones presentes, que es uno de los número mágico mencionado arriba para el sodio, e implica que estos números mágicos son un reflejo de los gases nobles. Los cálculos demuestran que el electrón adicional se encuentra en el cluster de aluminio en la localización opuesta al átomo de yodo. Este cluster debe tener por lo tanto una afinidad electrónica más alta para el electrón que el yodo y por tanto al cluster de aluminio se le denomina superhalógeno. El componente del cluster en un ion de Al13I es similar al de un ion de yodo o incluso mejor que el de un ion de bromo. Se espera que el mencionado cluster Al13I2 se comporte químicamente como un ion triyodo.

De la misma forma, se ha visto que los clusters Al14 con 42 electrones (2 más que los números mágicos) parecen mostrar las propiedades de un metal alcalinotérreo que suele adoptar 2 estados de valencia. Se sabe que esto sólo ocurre cuando hay por lo menos 3 átomos yodo unidos a un cluster Al14, Al14I3. El cluster aniónico tiene un total de 43 electrones itinerantes, pero cada uno de los tres átomos de yodo elimina un electrón itinerante para dejar finalmente 40 electrones en la capa de jellium.[2] [3]

Es particularmente fácil y fiable estudiar los clusters atómicos de los átomos de gas inerte mediante la simulación por ordenador debido a que la interacción entre dos átomos puede ser muy aproximada debido al potencial de Lennard-Jones. Otros métodos están dispobibles y se han establecido que los números mágicos son 13, 19, 23, 26, 29, 32, 34, 43, 46, 49, 55, etc.[4]

Clusters de aluminio[editar]

  • Al7 = sus propiedades son similares a las de los átomos de germanio.
  • Al13 = sus propiedades son similares a las de los átomos de halógeno, concretamente, a los átomos de cloro.
    • Al13Ix, donde x=1–13.[5]
  • Al14 = sus propiedades son similares a los metales alcalinotérreos.
    • Al14Ix, donde x=1–14}}.[5]
  • Al23
  • Al37

Otros clusters[editar]

  • Li(HF)3Li = el (HF)3 interior hace que 2 electrones de valencia del Li orbiten toda la molécula como si fuese un núcleo atómico.[6]
  • VSi16F = tiene enlace iónico.[7]
  • Un cluster de 13 átomos de platino se convierten en paramagnéticos.[8]
  • Un cluster de 2000 átomos de rubidio.[9]

Superátomos complejos[editar]

Los superátomos complejos son un grupo especial de superátomos que incorporan un núcleo de metal que está estabilizado por ligandos orgánicos. En los cluster de oro complejos protegidos por tiolato, se puede usar una regla simple de conteo de electrones para determinar el número total de electrones (ne) el cual corresponde a un número mágico según:

n_e = N\nu_A - M -z

donde N es el número de átomos de metal (A) en el núcleo, ν es la valencia del átomo, M es el número de ligandos aceptores de electrones, y z es la carga del conjunto en el complejo.[10] Por ejemplo, el Au102(p-MBA)44 tiene 58 electrones y corresponde a un número mágico de nivel cerrado.[11]

Superátomo de oro complejo[editar]

  • Au25(SMe)18[12]
  • Au102(p-MBA)44
  • Au144(SR)60[13]

Otros superátomos complejos[editar]

  • Ga23(N(Si(CH3)3)2)11[14]
  • Al50(C5(CH3)5)12[15]

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Formation of Al13I: Evidence for the Superhalogen Character of Al13 D. E. Bergeron, A.W. Castleman Jr., T. Morisato, S. N. Khanna Science, Vol 304, Issue 5667, 84–87 , 2 April 2004 Abstract MS spectra
  2. Philip Ball, "A New Kind of Alchemy", New Scientist Issue dated 2005-04-16.
  3. Al Cluster Superatoms as Halogens in Polyhalides and as Alkaline Earths in Iodide Salts D. E. Bergeron, P. J. Roach, A.W. Castleman Jr., N.O. Jones, S. N. Khanna Science, Vol 307, Issue 5707, 231–235 , 14 January 2005 Abstract MS spectrum
  4. I. A. Harris et al. Phys. Rev. Lett. Vol. 53, 2390–94 (1984).
  5. a b Naiche Owen Jones, 2006.
  6. Extraordinary superatom containing double shell nucleus: Li(HF)3Li connected mainly by intermolecular interactions, Sun, Xiao-Ying, Li, Zhi-Ru, Wu, Di, & Sun, Chia-Chung, 2007.
  7. Electronic and geometric stabilities of clusters with transition metal encapsulated by silicon, Kiichirou Koyasu et al.
  8. Platinum nanoclusters go magnetic, nanotechweb.org, 2007
  9. Ultra Cold Trap Yields Superatom, NIST, 1995
  10. M. Walter, J. Akola, O. Lopez-Acevedo, P. D. Jadzinsky, G. Calero, C. J. Ackerson, R. L. Whetten, H. Grönbeck, H. Häkkinen, Gold Superatom Complexes"A unified view of ligand-protected gold clusters as superatom complexes ", PNAS 105, 9157 (2008)
  11. P.D. Jadzinsky, G. Calero, C.J. Ackerson, D.A. Bushnell, R.D. Kornberg, Gold Superatom Complexes Structure of a thiol monolayer-protected gold nanoparticle at 1.1 Å resolution" Science 318, 430–433 (2007)
  12. J. Akola, M. Walter, R.L. Whetten, H. Häkkinen and H. Grönbeck, "On the structure of thiolate-protected Au25", JACS 130, 3756–3757 (2008)
  13. O. Lopez-Acevedo, J. Akola, R.L. Whetten, H. Grönbeck, H. Häkkinen, "Structure and Bonding in the Ubiquitous Icosahedral Metallic Gold Cluster Au144(SR)60", JPCC 130, 3756–3757 (2009)
  14. J. Hartig, A. Stösser, H. Schnöckel, "A metalloid (Ga23{N(SiMe3)2}11) cluster: The jellium model put to test" Angew. Chemie. Int. Ed. 46, 1658–1662 (2007).
  15. P.A. Clayborne, O. Lopez-Acevedo, R.L. Whetten, H. Grönbeck and H. Häkkinen, “Al50Cp*12 Cluster: A 138-electron (L=6) Superatom”, Eur. J. Inorg. Chem. 2011.

Enlaces externos[editar]