Untersuchung der Kristallstrukturen und des Polymorphismus von PH3 AsH3 und SbH3 mittels Neutronenbeugung

• Antragsteller: Dr. Frank Tambornino
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 553943492

Die Wasserstoffverbindungen der leichteren Gruppe-15-Elemente PnH3 (Pn = N, P, As) sind seit vielen Jahrzenten wichtige Ausgangsmaterialien für industrielle Prozesse. Ihre Anwendung in der chemischen Industrie, z.B. Ammoniak im Ostwald-Verfahren oder der Raschig-Synthese zur großtechnischen Synthese von Salpetersäure bzw. Hydrazin oder Phosphan und Arsan bei der Herstellung von modernen Halbleitermaterialien ist in der heutigen Zeit unverzichtbar geworden. Des Weiteren sind sowohl Ammoniak als auch Phosphan und Arsan gut etablierte Verbindungen welche in der aktuellen Forschung in verschiedensten Bereichen eine wichtige Rolle spielen. Neben den in Forschung und Industrie gut etablierten leichteren Homologen der Pnictogene rückt seit einigen Jahren auch das Stiban als höheres Homologe in den Vordergrund der Forschung. Insbesondere bei der Erforschung dieser Verbindungen hinsichtlich ihrer Struktur im Festkörper zeigen sich starke Diskrepanzen. So sind für das leichtere Homologe Ammoniak mindestens fünf Polymorphe bekannt. Für die höheren Homologen Phosphan, Arsan und Stiban sind zusammengerechnet lediglich eine Kristallstruktur bekannt. Im Rahmen unseres Projektes ist es das Ziel die fehlenden Festkörperstrukturen dieser Verbindungen aufzuklären. In unseren Arbeitskreisen ist die hochreine Synthese dieser, bei normalen Bedingungen gasförmigen Verbindungen gut etabliert. Im Zuge der geplanten Forschungen sollen neben den Hochtemperaturmodifikationen, den Modifikationen, die diese Verbindungen kurz nach dem Erstarren einnehmen, ebenfalls mögliche Tieftemperaturphasen aufgeklärt werden. Im Rahmen unserer bisherigen Untersuchungen mittels Röntgenstrukturanalyse am Einkristall konnten wir bereits erfolgreiche Messungen durchführen. Aufgrund der Insuffizienz dieser Analytik-Methode Wasserstoffatome klar zu lokalisieren, und dem Umstand, dass die Tieftemperaturmodifikationen dieser Verbindungen für uns durch Kristallisation nicht als Einkristall zugänglich sind, ist es an dieser Stelle notwendig Pulver-Neutronenbeugung an den oben genannten Verbindungen durchzuführen. Durch diese Analytik Methode sind wir in der Lage diese bisher nicht bekannten Strukturen zweifelsfrei aufzuklären und Rückschlüsse auf die Eigenschaften dieser Verbindungen in fester Form zu schließen. Dies gilt sowohl für die Hochtemperaturmodifikationen als auch für die durch uns bereits durch Röntgenstrukturanalyse am Eiskristall postulierten Tieftemperaturmodifikationen dieser Verbindungen. Diese Untersuchungen ermöglichen auch die Erforschung der bisher kaum untersuchten Wasserstoffbrückenbindungen, die von den schwereren Hauptgruppenelemente ausgebildet werden. Die Vermessung der Phasenübergänge lassen Rückschlüsse auf die Bindungsstärke dieser exotischen Bindungen zu.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Carsten von Hänisch