첫 번째를 이용한 안정적인 불화라돈 분자 예측 및 기하학적 최적화

Sep 29, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2898(2023) 이 기사 인용

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희가스는 원자가 껍질이 닫혀 있기 때문에 반응성이 매우 낮습니다. 그러나 이전 연구에서는 이러한 가스가 불소와 같이 전자 친화력이 높은 다른 원소와 결합할 때 분자를 형성할 수 있다고 제안했습니다. 라돈은 자연적으로 발생하는 방사성 비활성 기체이며, 라돈-불소 분자의 형성은 환경 방사능을 다루는 미래 기술에 잠재적으로 응용될 수 있기 때문에 상당한 관심을 끌고 있습니다. 그럼에도 불구하고 라돈의 모든 동위원소는 방사성이며 가장 긴 라돈 반감기가 3.82일에 불과하기 때문에 라돈 화학에 대한 실험은 제한적이었습니다. 여기에서는 제1원리 계산을 사용하여 라돈 분자의 형성을 연구합니다. 또한, 결정 구조 예측 접근법을 사용하여 불화 라돈의 가능한 조성을 예측합니다. 크세논 플루오라이드와 유사하게 2불화, 4불화, 6불화물도 안정화된 것으로 밝혀졌습니다. 결합 클러스터 계산에서는 C3v 대칭을 갖는 XeF6과 달리 RnF6이 Oh 점 대칭으로 안정화되는 것으로 나타났습니다. 또한, 우리는 예측된 라돈 불화물의 진동 스펙트럼을 참고 자료로 제공합니다. 계산을 통해 얻은 이불화, 사불화, 육불화 라돈의 분자 안정성은 라돈 화학의 발전으로 이어질 수 있습니다.

외부 껍질이 완전히 채워진 비활성 기체는 반응성이 없습니다. 아르곤이 처음 발견되었을 때, 화학자들은 이것이 주기율표의 다른 원소들과 반응성이 없다는 것을 발견했으며, 비활성 기체는 일반적으로 반응성이 없는 것으로 간주되었습니다. 1930년대에 Pauling은 크세논(Xe)이 불소와 화합물을 형성할 수 있을 것이라고 예측했습니다. 관련 실험에서 그들은 석영 플라스크의 벽을 부식시키는 데에만 성공했으며 그 안에 새로운 화합물이 존재한다는 사실은 인식하지 못했습니다2. 여러 번의 시도 끝에 크세논과 불소가 쉽게 반응하여 실온에서도 안정한 고체 XeF4를 형성했습니다3. 이불화 크세논(XeF2)과 사불화 크세논(XeF4)의 구조는 진동 스펙트럼을 사용하여 식별되었습니다. 그러나 육불화 크세논(XeF6)의 구조는 원자가 전자 고립 쌍의 입체 활성과 관련하여 논란의 여지가 있습니다5. 전자 회절6과 진동 분광학7을 사용하여 얻은 실험적 증거는 XeF6이 왜곡된 팔면체 대칭을 형성한다는 것을 시사합니다8.

라돈(Rn)은 Xe와 같은 희가스입니다. 지하 환경에서 발견되는 자연 발생 방사성 물질(NORM)입니다. 비활성 기체 중에서 밀도가 높고(표준 온도 및 압력에서 9.73g/L) 용해도(20°C에서 230cm3/L)9를 가지고 있습니다. 기체 상태의 Rn을 흡입하면 알파선을 직접 방출하거나 딸 방사성 핵종으로 붕괴되어 폐암을 유발할 수 있습니다10. 또한 라돈의 반감기가 3.82일로 짧기 때문에 지금까지 라돈을 이용한 실험과 연구는 제한적이었습니다. Xe 및 Rn과 같은 무거운 비활성 가스는 희귀 원소이자 방사성이 높은 가스입니다. 따라서 실험 연구자들에게 다양한 과제를 제시합니다. 이불화 라돈(RnF2)은 Fields11에 의해 합성되었습니다. 불소에 노출되고 400°C로 가열되면 비휘발성 RnF2를 형성했습니다. RnF2는 현재 유일하게 알려진 라돈 분자입니다. 높은 온도 및 압력 요구 사항으로 인해 자연 환경에서 완전한 고체 RnF2 샘플을 얻는 것은 어렵습니다.

DFT(DFT)가 수많은 재료의 상세한 분석에 성공적으로 적용되었기 때문에 제1원리 밀도 함수 이론(DFT)을 기반으로 한 전산 연구는 이러한 가스 연구에 대한 실용적인 대안으로 간주됩니다. DFT 접근법은 기하학적 특징에 대한 질적 예측을 제공하고 다양한 화학적, 물리적 특성을 결정하는 데 사용될 수 있습니다. 그러나 Rn 원자와 환경(예: Rn·H2O 복합체)12의 상호 작용 또는 Rn 분자 형성에 대한 첫 번째 원리를 기반으로 한 컴퓨터 연구는 매우 드뭅니다.