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Oxígeno sólido

El oxígeno sólido se forma a presión atmosférica normal a una temperatura inferior a 54,36 K (−218,79 °C, −361,82 °F). El oxígeno sólido O 2 , al igual que el oxígeno líquido , es una sustancia transparente con un color celeste claro causado por la absorción en la parte roja del espectro de luz visible.

Las moléculas de oxígeno han atraído la atención debido a la relación entre la magnetización molecular y las estructuras cristalinas , las estructuras electrónicas y la superconductividad . El oxígeno es la única molécula diatómica simple (y una de las pocas moléculas en general) que tiene un momento magnético . [1] Esto hace que el oxígeno sólido sea particularmente interesante, ya que se considera un cristal "controlado por espín" [1] que muestra un orden magnético antiferromagnético en las fases de baja temperatura. Las propiedades magnéticas del oxígeno se han estudiado ampliamente. [2] A presiones muy altas, el oxígeno sólido cambia de un estado aislante a uno metálico ; [3] y a temperaturas muy bajas, incluso se transforma en un estado superconductor . [4] Las investigaciones estructurales del oxígeno sólido comenzaron en la década de 1920 y, en la actualidad, se establecen de forma inequívoca seis fases cristalográficas distintas.

La densidad del oxígeno sólido varía desde 21 cm 3 / mol en la fase α hasta 23,5 cm 3 /mol en la fase γ. [5]

Fases

Diagrama de fases del oxígeno sólido

Se sabe que existen seis fases diferentes de oxígeno sólido: [1] [6]

  1. Fase α: azul claro  – se forma a 1 atm, por debajo de 23,8 K, estructura cristalina monoclínica , grupo espacial C 2/ m (n.º 12).
  2. Fase β: azul pálido a rosa  ; se forma a 1 atm, por debajo de 43,8 K, estructura cristalina romboédrica, grupo espacial R 3 m (n.º 166). A temperatura ambiente y alta presión comienza la transformación en tetraoxígeno.
  3. Fase γ: azul tenue  ; se forma a 1 atm, por debajo de 54,36 K, estructura cristalina cúbica, Pm 3 n (n.º 223). [7] [8]
  4. Fase δ: naranja  – se forma a temperatura ambiente a una presión de 9 GPa
  5. Fase ε: de color rojo oscuro a negro  ; se forma a temperatura ambiente a presiones superiores a 10 GPa
  6. Fase ζ: metálica  ; se forma a presiones superiores a 96 GPa

Se ha descubierto que el oxígeno se solidifica en un estado llamado fase β a temperatura ambiente al aplicar presión y, al aumentar aún más la presión, la fase β experimenta transiciones de fase a la fase δ a 9 GPa y a la fase ε a 10 GPa; y, debido al aumento de las interacciones moleculares , el color de la fase β cambia a rosa, naranja, luego rojo (la fase octaoxígeno estable), y el color rojo se oscurece aún más a negro al aumentar la presión. Se descubrió que aparece una fase ζ metálica a 96 GPa cuando el oxígeno de la fase ε se comprime aún más. [6]

Oxígeno rojo

A medida que la presión del oxígeno a temperatura ambiente aumenta a 10 gigapascales (1.500.000 psi), experimenta una transición de fase drástica . Su volumen disminuye significativamente [9] y cambia de color de azul cielo a rojo intenso. [10] Sin embargo, este es un alótropo diferente del oxígeno , O
8, no simplemente una fase cristalina diferente de O 2 .

Oxígeno metálico

Una fase ζ aparece a 96 GPa cuando el oxígeno en fase ε se comprime aún más. [9] Esta fase se descubrió en 1990 al presurizar el oxígeno a 132 GPa. [3] La fase ζ con cúmulo metálico [11] exhibe superconductividad a presiones superiores a 100 GPa y una temperatura inferior a 0,6 K. [4] [6]

Referencias

  1. ^ abc Freiman, YA y Jodl, HJ (2004). "Oxígeno sólido". Physics Reports . 401 (1–4): 1–228. Código Bibliográfico :2004PhR...401....1F. doi :10.1016/j.physrep.2004.06.002.
  2. ^ Véase también: Para artículos que tratan sobre las propiedades magnéticas del oxígeno sólido, nos remitimos a la magnetización del oxígeno condensado bajo altas presiones y en fuertes campos magnéticos por RJ Meier, CJ Schinkel y A. de Visser, J. Phys. C15 (1982) 1015–1024, absorción infrarroja lejana que trata sobre las excitaciones magnéticas u ondas de espín en Meier RJ, Colpa JHP y Sigg H 1984 J. Phys. C: Solid State Phys. 17 4501.
  3. ^ ab Desgreniers, S., Vohra, YK y Ruoff, AL (1990). "Respuesta óptica de oxígeno sólido de muy alta densidad a 132 GPa". The Journal of Physical Chemistry . 94 (3): 1117–1122. doi :10.1021/j100366a020.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  4. ^ ab Shimizu, K., Suhara, K., Ikumo, M., Eremets, MI y Amaya, K. (1998). "Superconductividad en oxígeno". Naturaleza . 393 (6687): 767–769. Código Bib :1998Natur.393..767S. doi :10.1038/31656. S2CID  205001394.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  5. ^ Roder, HM (1978). "El volumen molar (densidad) del oxígeno sólido en equilibrio con el vapor". Journal of Physical and Chemical Reference Data . 7 (3): 949–958. Bibcode :1978JPCRD...7..949R. doi :10.1063/1.555582.
  6. ^ abc Advanced Industrial Science and Technology (AIST) (2006). "Estructura cristalina de la fase ε del oxígeno sólido determinada junto con el descubrimiento de un cúmulo rojo de oxígeno O8". AZoNano . Consultado el 10 de enero de 2008 .
  7. ^ Jordan, TH; Streib, WD; Smith, HW; Lipscomb, WN (1964-06-01). "Estudios monocristalinos de β-F2 y de γ-O2". Acta Crystallographica . 17 (6). Unión Internacional de Cristalografía (IUCr): 777–778. doi : 10.1107/s0365110x6400202x . ISSN  0365-110X.
  8. ^ DeFotis, Gary C. (1 de mayo de 1981). "Magnetismo del oxígeno sólido". Physical Review B . 23 (9). American Physical Society (APS): 4714–4740. Código Bibliográfico :1981PhRvB..23.4714D. doi :10.1103/physrevb.23.4714. ISSN  0163-1829.
  9. ^ ab Akahama, Yuichi; Kawamura, Haruki; Häusermann, Daniel; Hanfland, Michael; Shimomura, Osamu (junio de 1995). "Nueva transición estructural de alta presión del oxígeno a 96 GPa asociada con la metalización en un sólido molecular". Physical Review Letters . 74 (23): 4690–4694. Bibcode :1995PhRvL..74.4690A. doi :10.1103/PhysRevLett.74.4690. PMID  10058574.
  10. ^ Nicol, Malcolm; Hirsch, KR; Holzapfel, Wilfried B. (diciembre de 1979). "Equilibrios de fases de oxígeno cerca de 298 K". Chemical Physics Letters . 68 (1): 49–52. Bibcode :1979CPL....68...49N. doi :10.1016/0009-2614(79)80066-4.
  11. ^ Edwards, Peter P.; Hensel, Friedrich (14 de enero de 2002). "Oxígeno metálico". ChemPhysChem . 3 (1). Weinheim, Alemania: WILEY-VCH-Verlag: 53–56. doi :10.1002/1439-7641(20020118)3:1<53::AID-CPHC53>3.0.CO;2-2. PMID  12465476.