Previsione delle molecole di fluoruro di radon stabili e ottimizzazione della geometria utilizzando prima

Sep 29, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2898 (2023) Citare questo articolo

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I gas nobili possiedono una reattività estremamente bassa perché i loro gusci di valenza sono chiusi. Tuttavia, studi precedenti hanno suggerito che questi gas possono formare molecole quando si combinano con altri elementi con elevata affinità elettronica, come il fluoro. Il radon è un gas nobile radioattivo presente in natura e la formazione di molecole di radon-fluoro è di notevole interesse a causa della sua potenziale applicazione nelle future tecnologie che affrontano la radioattività ambientale. Tuttavia, poiché tutti gli isotopi del radon sono radioattivi e il tempo di dimezzamento più lungo del radon è di soli 3,82 giorni, gli esperimenti sulla chimica del radon sono stati limitati. Qui studiamo la formazione delle molecole di radon utilizzando calcoli di principi primi; inoltre, le possibili composizioni dei fluoruri di radon vengono previste utilizzando un approccio di previsione della struttura cristallina. Similmente ai fluoruri di xeno, si è scoperto che di-, tetra- ed esafluoruri sono stabilizzati. I calcoli dei cluster accoppiati rivelano che RnF6 si stabilizza con la simmetria del punto Oh, a differenza di XeF6 con la simmetria C3v. Inoltre, forniamo come riferimento gli spettri vibrazionali dei fluoruri di radon da noi previsti. La stabilità molecolare del radon di-, tetra- ed esafluoruro ottenuta attraverso i calcoli può portare a progressi nella chimica del radon.

Un gas nobile con il guscio esterno completamente pieno non è reattivo. Quando fu scoperto per la prima volta, i chimici scoprirono che non era reattivo con gli altri elementi della tavola periodica e che i gas nobili erano generalmente considerati non reattivi. Negli anni '30 Pauling1 predisse che lo xeno (Xe) sarebbe stato in grado di formare composti con il fluoro. In esperimenti correlati riuscirono solo a corrodere le pareti di un pallone di quarzo e non si accorsero della presenza di nuovi composti al suo interno2. Dopo diverse prove, lo xeno e il fluoro hanno reagito prontamente e hanno formato il solido XeF4, stabile anche a temperatura ambiente3. Le strutture del difluoruro di xeno (XeF2) e del tetrafluoruro di xeno (XeF4) sono state identificate utilizzando i loro spettri vibrazionali4. Tuttavia, la struttura dell'esafluoruro di xeno (XeF6) è controversa per quanto riguarda l'attività stereo delle coppie solitarie di elettroni di valenza5. Le prove sperimentali ottenute utilizzando la diffrazione elettronica6 e la spettroscopia vibrazionale7 suggeriscono che XeF6 forma una simmetria ottaedrica distorta8.

Il Radon (Rn) è un gas nobile come Xe; è un materiale radioattivo naturale (NORM) che si trova nell'ambiente sotterraneo. Ha un'elevata densità (9,73 g/L a temperatura e pressione standard) e solubilità (230 cm3/L a 20 °C)9 tra i gas nobili. Quando l'Rn gassoso viene inalato, emette direttamente raggi alfa o decade in radionuclidi figli, che possono causare il cancro ai polmoni10. Inoltre, a causa del suo breve tempo di dimezzamento (solo 3,82 d), gli esperimenti e gli studi sul radon sono stati finora limitati. I gas nobili pesanti, come Xe e Rn, sono sia elementi rari che gas altamente radioattivi; pertanto, presentano varie sfide ai ricercatori sperimentali. Il difluoruro di radon (RnF2) è stato sintetizzato da Fields11; ha formato RnF2 non volatile quando esposto al fluoro e riscaldato a 400 ° C. RnF2 è attualmente l'unica molecola di radon conosciuta. A causa dei requisiti di temperatura e pressione elevate, ottenere un campione solido completo di RnF2 in un ambiente naturale è impegnativo.

Gli studi computazionali basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT) ai principi primi sono considerati un'alternativa pratica per lo studio di questi gas poiché la DFT è stata applicata con successo per l'analisi dettagliata di un vasto numero di materiali. L'approccio DFT può essere utilizzato per fornire previsioni qualitative delle caratteristiche geometriche e determinare varie proprietà chimiche e fisiche. Tuttavia, gli studi computazionali basati sui principi primi sulle interazioni degli atomi di Rn con gli ambienti (ad esempio, il complesso Rn·H2O)12 o sulla formazione di molecole di Rn sono molto rari.