原子簇化学

在化学中，原子簇（或简称簇）是结合原子或分子的集合体，其大小介于简单分子和纳米粒子之间； 也就是说，直径可达几纳米 (nm)。 术语微团簇可用于具有多达几十个原子的整体。

在特定排列中具有确定数量和类型的原子的团簇通常被认为是一种特定的化合物，并据此进行研究。 例如，富勒烯是一个由 60 个碳原子组成的簇，排列成截断的二十面体的顶点，而癸硼烷是由 10 个硼原子组成的簇，形成一个不完整的二十面体，被 14 个氢原子包围。

该术语最常用于由相同元素的几个原子或几个不同元素组成的集合，这些原子以三维排列键合。 过渡金属和主族元素形成特别坚固的簇。 实际上，在某些情况下，该术语可能特指金属簇，其核心原子是金属并包含至少一个金属键。 在这种情况下，限定符 poly 指定一个包含多个金属原子的簇，heternuclear 指定一个包含至少两种不同金属元素的簇。 裸露的金属团簇只有金属原子，这与具有其他元素外壳的团簇相反。 后者可以是与核心原子共价键合的官能团，例如氰化物或甲基； 或许多是由配位键连接的配体，例如一氧化碳、卤化物、异氰化物、烯烃和氢化物。

然而，该术语也用于不含金属（例如硼烷和碳硼烷）且其核心原子通过共价键或离子键结合在一起的整体。 它也用于通过范德华力或氢键结合在一起的原子或分子的集合体，如在水团簇中。

团簇可能在相变中发挥重要作用，例如从溶液中析出、液体和固体的冷凝和蒸发、冻结和熔化以及对其他材料的吸附。

原子序化学化合物，包括金属簇，自古以来就被人类无意中使用。 最古老的人工生产的金属簇可能是甘汞 Hg_{2Cl2，早在 12 世纪就在印度为人所知。}

直到 20 世纪才有可能阐明簇化合物的结构。 例如，在 1900 年代初期就确定了甘汞中汞与汞键的存在。 这些进步是通过开发可靠的结构分析工具（例如单晶 X 射线衍射）实现的。

F.A. Cotton 在 1960 年代初期使用术语簇来专门指代含有金属-金属键的化合物。

1984 年，Eric A. Rohlfing、Donald M. Cox 和 Andrew Kaldor 在实验中首先检测到碳团簇，当时石墨被激光汽化，蒸汽被氦气氛淬火。 用质谱仪对凝聚产物的分析表明，具有某些神奇数字的分子占优势。

原子团簇的物理化学性质与组成相同的大块固体有很大不同。 差异是由于在它们的表面发现了很大一部分组成原子。 对于少于几十个组成原子或分子的簇核，稳定配置通常有大部分或所有原子与核表面相邻，因此仅部分与其他核元素结合。

随着核中原子数量 N 的增加，分子种类和相应体积混合物的性质之间会发生逐渐转变，因为与其表面相邻的原子比例将按比例近似为 N-1/3。 如果 N 为 105，当团簇可以被认为是纳米粒子时，核心中只有大约 10% 的原子会暴露在其表面。 这仍然是一个很大的百分比，这也是纳米粒子的性质仍然与大块物质的性质有显着差异的部分原因。

过渡金属簇通常由难熔金属原子组成。 通常，由于价轨道的有利重叠，具有扩展 d 轨道的金属中心形成稳定的簇。 因此，后期金属具有低氧化态的金属和早期金属具有中等氧化态的金属倾向于形成稳定的簇。