Спектроскопия аммония в позициях с несогласованной симметрией в кристаллических структурах солей

Исследованы колебательные спектры встречающихся в природе аммонийных сульфатов: чермигита NH₄Al(SO₄)₂(H₂O)₁₂, лонкрикита NH₄Fe(SO₄)₂(H2O)₁₂, аммониовольтаита (NH₄)₂Fe²⁺ ₅Fe³⁺ ₃Al(SO₄)₁₂(H₂O)₁₈, сабиита NH₄Fe(SO₄)₂, аммониоалунита NH₄Al₃(SO₄)₂(OH)₆ и аммониоярозита NH₄Fe₃(SO₄)₂(OH)₆, для определения поведения аммония в позициях с несогласованной симметрией. Выявлено разупорядочение катиона аммония в кристаллах солей, вызванное необходимостью подстройки тетраэдрического катиона под симметрию позиции, для сохранения симметрии кристалла. В случае, если группа симметрии позиции не является подгруппой группы симметрии тетраэдра, происходит искажение тетраэдра NH₄⁺ по подгруппе Hʹ, общей для T_d и H, где H — группа симметрии позиции. Затем из N = |H|/|Hʹ| (|H|, |Hʹ| — порядки групп) искаженных тетраэдров формально можно сконструировать полиэдр, отвечающий симметрии позиции. Катион аммония при разупорядочении имеет несколько ориентаций (N), суперпозиция которых формально дает полиэдр, отвечающий локальной симметрии. Максимальные общие подгруппы для заданных солей — C_3ν и C₃. Искажение аммония приводит к активации в ИК-спектре колебаний ν₁, ν₂ [NH₄⁺] и расщеплению ν₃, ν₄ [NH₄⁺], однако в случае нахождения аммония в центрально-симметричной позиции, как в аммониоалуните и аммониоярозите, эффект мало заметен. Для аммонийных квасцов, аммониовольтаита, сабиита полоса ν₄ [NH₄⁺] расщеплена, а колебания ν₁, ν₂ [NH₄⁺] отчетливо видны в спектрах.

1. J. Parafiniuk, Ł. Kruszewski. Mineral. Mag., 74, N 4 (2010) 731, https://doi.org/10.1180/minmag.2010.074.4.731

2. V. Žáček, R. Škoda, F. Laufek et al. J. Geosci. (Czech Republic), 64, N 2 (2019) 149, https://doi.org/10.3190/jgeosci.283

3. M. Fastelli, P. Comodi, A. Maturilli et al. Minerals, 10, N 10 (2020) 902, https://doi.org/10.3390/min10100902

4. А. В. Сергеева. Журн. прикл. спектр., 86 (2019) 333—338 https://doi.org/10.1007/s10812-019-00828-y

5. A. V. Sergeeva, E. S. Zhitova, V. N. Bocharov. Vib. Spectrosc., 105 (2019) 102983, https://doi.org/10.1016/j.vibspec.2019.102983

6. A. V. Sergeeva, E. S. Zhitova, A. A. Nuzhdaev et al. Minerals, 10, N 9 (2020) 781, https://doi.org/10.3390/min10090781

7. A. V. Sergeeva, D. K. Denisov, M. A. Nazarova. Russ. Geol. Geophys., 60, N 11 (2019) 1267, https://doi.org/10.15372/RGG2019090

8. A. V. Sergeeva, E. S. Zhitova, A. A. Nuzhdaev et al. J. Volcanol. Seismol., 16, N 1 (2022) 35, https://doi.org/10.1134/S0742046321060099

9. S. K. Trumbo, M. E. Brown, K. P. Hand. Sci. Adv., 5, N 6 (2019), https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw7123

10. J. B. Dalton, T. Cassidy, C. Paranicas et al. Planet. Space Sci., 77 (2013) 45, https://doi.org/10.1016/j.pss.2012.05.013

11. J. Hanley, J. B. Dalton, V. F. Chevrier et al. J. Geophys. Res. Planets, 119, N 11 (2014) 2370, https://doi.org/10.1002/2013JE004565

12. N. Ligier, C. Paranicas, J. Carter et al. Icarus, 333 (2019) 496, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2019.06.013

13. T. B. McCord, G. B. Hansen, J.-P. Combe et al. Icarus, 209, N 2 (2010) 639, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2010.05.026

14. A. Nathues, N. Schmedemann, G. Thangjam et al. Nat. Astron., 4, N 8 (2020) 794, https://doi.org/10.1038/s41550-020-1146-8

15. Z.He, R. Xu, C.Li et al. Space Sci. Rev., 217, N 2 (2021) 27, https://doi.org/10.1007/s11214-021-00804-z

16. N. W. Hinman, J. L. Bishop, V. C. Gulick et al. Am. Mineral., 106, N 8 (2021) 1237, https://doi.org/10.2138/am-2021-7415

17. P. Kumari, S. Soor, A. Shetty et al. IEEE Access, 11 (2023) 13121, https://doi.org/10.1109/ACCESS.2023.3243061

18. S. E. Schröder, H. U. Keller. Planet. Space Sci., 56, N 5 (2008) 753, https://doi.org/10.1016/j.pss.2007.10.011

19. J. Bernard, E. Quirico, O. Brissaud et al. Icarus, 185, N 1 (2006) 301, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2006.06.004

20. R. M. Nelson, L. W. Kamp, D. L. Matson et al. Icarus, 199, N 2 (2009) 429, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2008.08.013

21. F. Postberg, J. Schmidt, J. Hillier et al. Nature, 474, N 7353 (2011) 620, https://doi.org/10.1038/nature10175

22. M. G. Fox‐Powell, C. R. Cousins. J. Geophys. Res. Planets, 126, N 1 (2021), https://doi.org/10.1029/2020JE006628

23. S. Douté, R. Lopes, L. W. Kamp et al. Icarus, 169, N 1 (2004) 175, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2004.02.001

24. T. B. McCord. J. Geophys. Res., 107, N 1 (2002) 5004, https://doi.org/10.1029/2000JE001453

25. H. Dong, L. Huang, L. Zhao et al. Natl. Sci. Rev., 9, N 10 (2022), https://doi.org/10.1093/nsr/nwac128

26. O. I. Korablev, Y. Dobrolensky, N. Evdokimova et al. Astrobiology, 17, N 6-7 (2017) 542, https://doi.org/10.1089/ast.2016.1543

27. F. Košek, A. Culka, A. Rousaki et al. Icarus, 366 (2021) 114533, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2021.114533

28. O. Poch, I. Istiqomah, E. Quirico et al. Science, 367, N 6483 (2020) eaaw7462, https://doi.org/10.1126/science.aaw7462

29. K. Altwegg, H. Balsiger, N. Hänni et al. Nat. Astron., 4, N 5 (2020) 533, https://doi.org/10.1038/s41550-019-0991-9

30. M. Rubin, K. Altwegg, H. Balsiger et al. Science, 348, N 6231 (2015) 232—235, https://doi.org/10.1126/science.aaa6100

31. A. Raponi, M. Ciarniello, F. Capaccioni et al. Nat. Astron., 4, N 5 (2020) 500, https://doi.org/10.1038/s41550-019-0992-8

32. H. H. Kaplan, D. S. Lauretta, A. A. Simon et al. Science, 370, N 6517 (2020) eabc3557, https://doi.org/10.1126/science.abc3557

33. M. Fastelli, P. Comodi, B. Schmitt et al. Icarus, 382 (2022) 115055, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2022.115055

34. A. C. Thakur, R. C. Remsing. ACS Earth Sp. Chem., 7, N 2 (2023) 479. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.2c00327

35. H. A. Levy, S. W. Peterson. Phys. Rev., 86, N 5 (1952) 766, https://doi.org/10.1103/PhysRev.86.766

36. A. Udovenko, N. Laptash, I. Maslennikova. J. Fluor. Chem., 124, N 1 (2003) 5, https://doi.org/10.1016/S0022-1139(03)00166-0

37. L. S. Smirnov, A. I. Baranov, L. A. Shuvalov et al. Phys. Solid State, 43, N 1 (2001) 117, https://doi.org/10.1134/1.1340197

38. M. C. De Sanctis, E. Ammannito, A. Raponi et al. Nat. Astron., 4, N 8 (2020) 786, https://doi.org/10.1038/s41550-020-1138-8

39. E. C. Thomas, T. H. Vu, R. Hodyss et al. Icarus, 320 (2019) 150, https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.12.038

40. T. H. Vu, R. Hodyss, P. V. Johnson et al. Planet. Space Sci., 141 (2017) 73, https://doi.org/10.1016/j.pss.2017.04.014

41. F. Košek, A. Culka, L. Fornasini et al. J. Raman Spectrosc., 51, N 7 (2020) 1186, https://doi.org/10.1002/jrs.5873

42. F. Košek, H. G. M. Edwards, J. Jehlička. J. Raman Spectrosc., 51, N 9 (2020) 1454, https://doi.org/10.1002/jrs.5625

43. F. Košek, A. Culka, P. Drahota et al. J. Raman Spectrosc., 48, N 8 (2017) 1085, https://doi.org/10.1002/jrs.5174

44. J. Jehlička, A. Culka, F. Košek. J. Raman Spectrosc., 48, N 11 (2017) 1583, https://doi.org/10.1002/jrs.5105

45. Р. Фларри. Группы симметрии. Теория и химическое приложение, пер. с англ., Москва, Мир (1983)

46. А. Н. Лазарев. Колебательные спектры и строение силикатов, Ленинград, Наука (1968)

47. М. И. Каргаполов, Ю. И. Мерзляков. Основы теории групп, 3-е изд., перераб. и доп., Москва, Наука (1982)

48. И. А. Коробейникова, Г. Б. Прончев, А. Н. Ермаков. Журн. аналит. химии, 66, № 8 (2011) 854

49. N. S. Sickerman, S. M. Peterson, J. W. Ziller et al. Chem. Commun., 50, N 19 (2014) 2515, https://doi.org/10.1039/C3CC48804G

50. J. W. Phair, S. P. S. Badwal. Ionics (Kiel), 12, N 2 (2006) 103, https://doi.org/10.1007/s11581-006-0016-4

51. D. I. Kolokolov, D. Lim, H. Kitagawa. Chem. Rec., 20, N 11 (2020) 1297, https://doi.org/10.1002/tcr.202000072

52. D. K. Nordstrom. Geochim. Cosmochim. Acta, 46, N 4 (1982) 681, https://doi.org/10.1016/0016-7037(82)90168-5

53. M. Henry, J. P. Jolivet, J. Livage. In: Chem. Spectrosc. Appl. Sol-Gel Glas., Springer-Verlag, BerlinHeidelberg (1992) 153—206, https://doi.org/10.1007/BFb0036968