О структуре легких атмосферных ионов (часть 2)

Вероятная химическая природа легких ионов

Природа ионизированной центральной молекулы (на которой в дальнейшем временно располагаются другие молекулы) не зависит, как это на первый взгляд может показаться непосредственно от процессов ионизации, а определяется различием потенциалов ионизации, находящихся в газовой смеси отдельных сортов молекул (см таблицу).

Различия потенциалов ионизации приводит в целом к процессам перезарядки, когда первично ионизированная молекула передает свой заряд молекуле с более низким значением потенциала ионизации. Исходя из таблицы можно ожидать, что образовавшиеся в атмосферном воздухе путем ионизации и последующих процессов перезарядки первичные мономолекулярные ионы (т.е. ионизированные центральные молекулы атмосферных легких ионов) преимущественно состоят из ионов O₂⁺, NO₂⁺, NO⁺, или также из ионов H₃O⁺ или O₂^-, N₂^-, NO^-. Положительный ион H₃O⁺, который называется оксоний (oxonium - Ion), возникает в результате присоединения протона H⁺ к молекуле водяного пара (H₂O + H⁺=> H₂O⁺).

Таблица 
Потенциалы ионизации различных газовых компонент атмосферного воздуха

Природа остальных газовых молекул, которые временно располагаются на этой ионизированной центральной молекуле и вместе с ней образуют легкий ион, при учете только сил поляризации, в первую очередь определяется их относительной частотой, с которой отдельные газовые компоненты встречаются, а также поляризуемостью молекул, которая для H₂O или CO₂ является наибольшей, а для O₂ наименьшей. Так как для отдельных газов, если только они совершенно сухие - различие в распространенности основных газовых молекул и молекул примесных газов имеет существенно большее значение, чем различие в поляризуемости, то должны (если не рассматривать центральные молекулы) образовываться преимущественно ионы из основных газов и реже из примесных газов. В совершенно сухом воздухе и подобных газовых смесях напротив следует рассчитывать, что легкие ионы состоят из смеси молекул (например из O₂^-, N₂^-, CO₂^- ), состав которых в результате процессов обмена будет непрерывно меняться. Что при этом различная поляризуемость различных газовых молекул не играет никакой роли, следует непосредственно из сравнения между "практическим радиусом действия", обусловленным поляризационными силами иона, и средней длиной свободного пробега молекул, достигающих ион.

Если определить в качестве практического радиуса действия сил поляризации иона, имеющего элементарный заряд, такое расстояние от центра иона, где потенциальная энергия поляризации E_pсоставляет только одну десятую тепловой энергии молекулы E_k, то для всех газовых компонент воздуха, а также для водяного пара, радиус действия будет около 8 A и 13 A. Только в пределах такого удаления от иона заряд иона оказывает достойное упоминания воздействие на траектории молекул. С другой стороны, однако, средняя длина свободного пробега молекул газа в воздухе при атмосферном давлении и комнатной температуре составляет L=7,7*10^-6 см = 770 A. Это ни что иное, как среднее удаление, где летящие к иону молекулы газа в последний раз сталкиваются с другими газовыми молекулами, и меняют при этом направление своего полета. На таком удалении практически уже не проявляются силы поляризации. Из этого следует, что число молекул, которое в единицу времени сталкивается с ионом, определяется исключительно тепловым движением молекул, а не перманентным или индуцированным дипольным моментом молекулы. Отсюда можно ожидать, что в сухом воздухе, в соответствии с его составом, в процессе обменa в ионе преимущественно будут принимать участие молекулы N₂^- и O₂^-, только в незначительном количестве молекулы CO₂^- и молекулы инертных газов. Различная поляризуемость молекул воздуха может оказать влияние только на время их пребывания в составе иона (порядок величины: 10^-7 сек). Для CO₂ эта величина должна быть больше, чем для остальных газов. Во влажном (соответственно в нормальном атмосферном) воздухе в противоположность этому наступает изменение только в той мере, в какой время нахождения молекулы водяного пара в составе иона, в силу ее более высокой поляризуемости, является существенно большим (порядок величины: 10^-6 сек), чем для остальных газов. Из сказанного следует, что также и число H₂O молекул, которые в какой-то момент времени принадлежат определенному атмосферному иону, оказывается большим, чем это соответствует концентрации водяных паров в воздухе. (При 50% относительной влажности почти каждая сотая молекула воздуха представляет собой водяной пар) 

Продолжение статьи >>
НПФ "ЯНТАРЬ" (www.ionization.ru)
ПОЛНОЕ ИЛИ ЧАСТИЧНОЕ ЦИТИРОВАНИЕ ДАННОЙ СТАТЬИ ЗАПРЕЩЕНО