化学イオン化

化学イオン化とは、衝突エネルギーが試薬をイオン化するために必要なエネルギーを下回る場合に、気相原子または分子と別の原子または分子との反応によってイオンが形成されることである。 ^[1]^[2]この反応では、試薬が励起状態になる場合もあれば^{[3] 、新しい}化学結合が形成される場合もある。^[1]^{[4]化学イオン化は、}ペニング、会合、解離、または転位イオン化反応によって進行する。自由電子またはイオン対（正と負）を生成する反応が含まれる。^[5]^[6]

このプロセスは、分子を識別するために使用できる固有のバンドを作成するため、質量分析に役立ちます。 ^[7]このプロセスは自然界では非常に一般的であり、炎の主な初期反応と考えられています。^{[引用が必要]}

定義

文献では、「化学イオン化」という用語は一貫して使用されていない。^[8] ベリーは化学イオン化を「化学反応の条件下で自由電荷、電子、イオンの形成につながるプロセス」と広く定義した。フォンティンは化学イオン化をより狭義に「新しい化学結合の形成の直接的な結果として基本電荷キャリアの数が増加する」反応と定義した。フォンティンは電荷キャリアの数が増加すると明示的に指定したが、ベリーの定義にはペニングイオン化が含まれている。^{[9] 1977年の低運動エネルギーでの原子粒子の衝突におけるイオン化のレビューで、レオナスとカリニンは衝突エネルギーが}イオン化ポテンシャルを下回るイオン化プロセスを化学イオン化プロセスと呼ぶと述べた。^[10]

IUPACは、質量分析の文脈における化学イオン化を「内部で励起された別の原子または分子との相互作用による原子または分子のイオン化」と定義しました。IUPACの定義には、励起状態の原子または分子が関与する反応のみが含まれます。また、IUPACは、化学イオン化には化学結合が変化しない反応も含まれると述べています。^[3]古いIUPACの定義（1973年）では、相互作用が励起状態の原子または分子と行われる必要はなく、通常は励起されると述べられていました。^[11]また、古い定義ではイオン化は衝突の結果であると述べられていましたが、^[11]新しい定義では、相互作用する種の1つのイオン化について言及しています。^[3]

エネルギー要件

基底状態の原子または分子から電子を取り除くには、ある程度のエネルギーが必要であり、そのエネルギーは十分に大きい場合もある。 ^[12]^[13]化学イオン化プロセスでは、イオン化によって消費されるエネルギーは、位置エネルギーの形で原子または分子に蓄えられるか、または付随する発熱化学変化（たとえば、新しい化学結合の形成）から得ることができる。原子または分子では、エネルギーは励起状態の形で蓄えられる。分子では、代わりに振動励起の形で蓄えられることがある。^[12]発熱化学反応では、放出されたエネルギーは分子によって内部振動励起の形で獲得され、放出されたエネルギーが十分に大きい場合はイオン化を引き起こす可能性がある。^[14]

反応

化学イオン化反応には以下のものがある: ^[6]

${\ce {A^{\ast }{}+B{}->A{}+B^{+}{}+e^{-}{}(ペニングイオン化)}}$ ${\ce {A{}+B{}->AB^{+}{}+e^{-}{}(結合イオン化)}}$ ${\ce {A{}+B{}->A^{+}{}+B^{-}{}(イオン化\ 電子移動)}}$ ${\ce {A{}+BC{}->AB^{+}{}+C{}+e^{-}{}(転位\イオン化)}}$ ${\ce {A{}+BC{}->A{}+B{}+C^{+}{}+e^{-}{}(解離\イオン化)}}$

励起状態の試薬が関与する反応

化学イオン化は次のように表される。

{\ce {G^{\ast }{}+M->M^{+\bullet }{}+e^{-}{}+G}}

ここで、G は励起状態の種（上付きのアスタリスクで示される）、M は電子を失ってイオン化されラジカルカチオンを形成する種（上付きの「プラスドット」で示される）です。

天体物理学的影響

化学イオン化は、恒星の周囲の水素に富む大気中で起こると仮定されている。このタイプの反応は、いくつかのモデルが説明するよりもはるかに多くの励起水素原子をもたらす。これは、モデル化によって太陽大気の適切な光学的性質を決定する能力に影響を与える。^[15]

炎上

化学イオン化の最も一般的な例は炭化水素炎で起こる。反応は次のように表される。

{\ce {O + CH -> HCO+ + e^-}}

^[16]

この反応はあらゆる炭化水素炎に存在し、予想されるイオンの量が熱力学的平衡から逸脱する原因となる可能性がある。^[17]

歴史

化学イオン化という用語は、1948年にハートウェル・F・カルコートが第3回燃焼・炎・爆発現象シンポジウムで作った造語です。^[18] このシンポジウムでは、1950年代にこの現象に関する初期の調査が行われました。^[要出典]このテーマに関する研究の大部分は、1960年代と70年代に行われました。^[要出典]現在、質量分析法に使用されるさまざまなイオン化技術で見られます。^[19]^[20]

参照

参考文献

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