The interaction of Na atoms with the molecular surfaces H₂O and CH₃OH: the role of delocalized Na3s electrons

Abstract

The interaction of Na atoms with H₂O and CH₃OH films is studied with metastable impact electron spectroscopy (MIES) under UHV conditions. The films were grown at 90 (+/ – 10) K on tungsten substrates, and exposed to Na. Na – induced water dissociation takes place whereby OH and CH₃O – species are formed, and Na – atoms become ionized. At small Na exposures the outermost solvent layer remains largely intact as concluded from the absence of MIES signals caused by the reaction products. However, emission from OH and CH₃O – species, located at the film surface, occurs at larger exposures. In the same exposure range also emission from Na3s – ionization can be detected. The corresponding spectral structure occurs at an energetic position different from that found on metals or semiconductors. For the (Na – water) system the results are compared with First – Principles calculations on (Na)₂(H₂O)₁₀ clusters concerned with the electron and proton exchange within the cluster. Experiment and theory agree in the energetic positions of the main spectral features from water and sodium ionization. The calculations suggest that the 3sNa emission observed experimentally is due to the ejection of solvated 3s electrons which are trapped between the Na – core and water molecules of the surrounding water shell. The simultaneous emergence of dissociation products, OH and CH₃O, and solvated 3s electrons suggests that the delocalization and, consequently, the solvation plays an important role in the Na – water (methanol) reaction. Keywords: metastable impact electron spectroscopy (MIES), water, methanol, ice, solvation, alkali.

Взаємодія атомів Na із плівками H₂O та CH₃OH вивчалася методом електронної спектроскопії метаста більних зіткнень (ЕСМЗ) в умовах надвисокого вакууму. Плівки були вирощені при температурі 90 (+/ –10) K на вольфрамових підкладинках і піддавалися впливу Na. Індукована Na дисоціація води відбувалася при формуванні груп ОН і CH₃O та іонізації атомів Na. За малих експозицій Na, найбільш віддалений розчинний шар залишається, в значній мірі, неушкодженим, що випливає з відсутності сигналів ЕСМЗ, зумовлених продуктами реакції. Однак, за великих часів експозиції спостерігається випро мінювання від груп ОН та CH₃O, які локалізовані на поверхні плівки. У цьому ж діапазоні експозиції може бути визначена емісія, яка позв’язана з наявністю Na3s іонізації. Відповідний спектральний склад харак терний для енергетичних спектрів відмінних від знайдених для металів і напівпровідників. Для системи (Na–вода) результати порівнюються з розрахунками для кластерів (Na)₂(H₂O)₁₀, з урахуванням електронної і протонної взаємодії усередині кластера. Експеримент і теорія збігаються за основними спектраль ними характеристиками енергетичних спектрів від води та іонізованого натрію. Розрахунки підтверд- жують, що 3sNa емісія, яка спостерігається експериментально пов’язана із випущенням розчинених 3s електронів, що локалізовані між ядром Na та молекулами води навколишньої водяної оболонки. Одночасне виділення продуктів дисоціації, ОН і CH₃O, та розчинених 3s електронів підтверджує, що делокалізація і, відповідно, розчинення відіграють важливу роль у реакціях Na–вода (метанол).

Взаимодействие атомов Na с пленками H₂O и CH₃OH изучалось методом электронной спектроскопии метас табильных соударений (ЭСМС) в условиях сверхвысокого вакуума. Пленки были выращены при температуре 90 (+/ –10) К на вольфрамовых подложках и подвергались воздействию Na. Индуцированная Na диссоциация воды происходила при формировании групп ОН и CH₃O и ионизации атомов Na. При малых экспозициях Na наиболее удаленный растворенный слой остается в значительной степени неповрежденным, что следует из отсутствия сигналов ЭСМС, обусловленных продуктами реакции. Однако, при больших временах экспозициии наблюдается излучение от групп ОН и CH₃O локализованных на поверхности пленки. В этом же диапазоне экспозиции может быть определена эмиссия, связанная с наличием Na3s ионизации. Соответствующий спектральный состав характерен для энергетических спектров отличных от найденных для металлов и полупроводников. Для системы (Na–вода) результаты сравниваются с расчетами для кластеров (Na)₂ (H2 O)₁₀, с учетом электронных и протонных взаимодействий внутри кластера. Эксперимент и теория совпадают по основным спектральным характеристикам энергетических спектров от воды и ионизированного натрия. Расчеты подтверждают, что 3sNa эмиссия, наблюдаемая экспериментально, связана с испусканием растворенных 3s электронов, локализованных между ядром Na и молекулами воды окружающей водной оболочки. Одновременное выделение продуктов диссоциации, ОН и CH₃O, и растворенных 3s электронов подтверждает, что делокализация и, соответственно, растворение играют важную роль в реакциях Na–вода (метанол).