M+ + O2 Chemistry

Periodic Table of Primary Reaction Kinetics
Reaction Branching Ratio over Efficiency (Kobs/Kc)

Reactions of atomic cations ligated to benzene with O2
Reaction Branching Ratio over Efficiency (Kobs/Kc)
Back to top
Table 1. Rate coefficients (in units of cm3 molecule-1 s-1) measured for O-atom transfer reactions of transition-metal ions, M+, with molecular oxygen in helium at 0.35 ±0.01 Torr He and 295 ±2 K.
REACTANTS PRODUCTS BR kexp kc kexp/kc HIGHER ORDER PRODUCTS
 
O2            
             
Sc+ ScO+ + O 1.00 3.7×10-10 6.8×10-10 0.54  
Ti+ TiO+ 1.00 4.6×10-10 6.75×10-10 0.68 TiO3+
V+ VO+ 1.00 2.8×10-10 6.7×10-10 0.42 VO3+, VO5+, VO7+
Cr+ CrO2+ 1.00 2.2×10-13 6.6×10-10 3.0×10-4  
Mn+ NR 1.00 <1.0×10-14 6.6×10-10 <1.5×10-5  
Fe+ FeO2+ 1.00 4.3×10-13 6.6×10-10 6.5×10-4 FeO4+
Co+ CoO2+ 1.00 1.5×10-13 6.5×10-10 2.3×10-4 CoO4+
Ni+ NiO2+ 1.00 2.0×10-13 6.5×10-10 3.1×10-4 NiO4+
Cu+ CuO2+ 1.00 2.4×10-13 6.4×10-10 3.8×10-4 CuO4+
Zn+ ZnO2+ 1.00 2.0×10-13 6.4×10-10 3.1×10-4  
Ga+ NR 1.00 <1.0×10-14 6.6×10-10 <1.5×10-5  
Se+ NR 1.00 <1.0×10-14 6.6×10-10 <1.5×10-5  
Rb+ NR 1.00 <1.0×10-14 6.6×10-10 <1.5×10-5  
Y+ YO+ + O 1.00 4.1×10-10 6.1×10-10 0.67 YO3+
Zr+ ZrO+ + O 1.00 5.0×10-10 6.1×10-10 0.82 ZrO3+
Nb+ NbO+ + O 1.00 4.3×10-10 6.0×10-10 0.72 NbO2+, NbO4+, NbO6+
Mo+ MoO+ + O 1.00 7.5×10-11 6.0×10-10 0.13 MoO2+, MoO4+
Ru+ RuO2+ 1.00 1.7×10-13 6.0×10-10 2.8×10-4 RuO4+
Rh+ RhO2+ 1.00 9.2×10-14 6.0×10-10 1.5×10-4 RhO4+
Pd+ PdO2+ 1.00 9.1×10-14 5.95×10-10 1.5×10-4  
Ag+ AgO2+ 1.00 1.0×10-13 5.9×10-10 1.7×10-4  
Cd+ NR 1.00 <1.0×10-14 5.9×10-10 <1.7×10-5  
In+ NR 1.00 <1.0×10-14 5.9×10-10 <1.7×10-5  
Te+ NR 1.00 <1.0×10-14 5.9×10-10 <1.7×10-5  
Cs+ NR 1.00 <1.0×10-14 5.9×10-10 <1.7×10-5  
La+ LaO+ 1.00 4.3×10-10 5.8×10-10 0.75  
Hf+ HfO+ 1.00 4.1×10-10 5.7×10-10 0.67 HfO3+, HfO4+
Ta+ TaO+ 1.00 4.7×10-10 5.7×10-10 0.82 TaO2+, TaO4+, TaO6+
W+ WO+ + O 1.00 4.4×10-10 5.6×10-10 0.79 WO2+, WO4+, WO6+
Re+ ReO2+ 1.00 1.1×10-12 5.6×10-10 2.0×10-3 ReO3+, ReO4+, ReO5+, ReO6+
Os+ OsO2+ 1.00 3.7×10-12 5.6×10-10 6.6×10-3 OsO3+, OsO4+ OsO5+
Ir+ IrO2+ 1.00 1.3×10-13 5.6×10-10 2.3×10-4 IrO4+
Pt+ PtO2+ 1.00 1.6×10-13 5.6×10-10 2.9×10-4 PtO4+
Au+ AuO2+ 1.00 1.2×10-13 5.6×10-10 2.1×10-4 AuO4+
Hg+ HgO2+ 1.00 2.4×10-13 5.6×10-10 4.3×10-4  
Tl+ NR 1.00 <1.0×10-14 5.9×10-10 <1.7×10-5  
Pb+ NR 1.00 <1.0×10-14 5.9×10-10 <1.7×10-5  
Bi+ NR 1.00 <1.0×10-14 5.9×10-10 <1.7×10-5  
Po+   1.00    —    —    —  
Ce+ CeN+ + NO 1.00 5.1×10-10 5.8×10-10 0.88  
Pr+ Pr+·O2 + He 1.00 4.3×10-10 5.7×10-10 0.75  
Nd+ NdO+·N2O + He 1.00 3.3×10-10 5.8×10-10 0.57  
Pm+ Pm+·O2 + He 1.00    —    —    —  
Sm+ Sm+·O2 + He 1.00 2.8×10-10 5.8×10-10 0.48  
Eu+ EuO+ + O   2.6×10-13 4.3×10-10 ≤0.0006  
Eu+·O2 + He          
EuO+ + O          
Gd+ Gd+·O2 + He 1.00 4.9×10-10 5.7×10-10 0.86  
Tb+ Tb+·O2 + He 1.00 3.8×10-10 5.7×10-10 0.67  
Dy+ Dy+·O2 + He 1.00 2.7×10-10 5.7×10-10 0.47  
Ho+ HoO+ + O 1.00 2.4×10-10 5.7×10-10 0.42  
Er+ Er+·O2 + He 1.00 2.5×10-10 5.7×10-10 0.44  
Tm+ Tm+·O2 + He   1.7×10-12 2.0×10-9 ≤0.0006  
TmO+ + O          
Yb+ Yb+·O2 + He   3.6×10-13 6.0×10-10 ≤0.0006  
YbO+ + O          
Lu+ LuO+ + O   7.7×10-11 5.0×10-9 0.014  
Back to top
Table 2. Reaction rate coefficients (kobs in cm3 molecule-1s-1) for primary reactions of transition-metal cations, M+, and benzene adducts of transition-metal cations, MC6H6+ and M(C6H6)2+, with O2 in He at 0.35 ± 0.01 Torr and 295 ± 2 K.
M M+ MC6H6+ M(C6H6)2+
 
O2      
       
Sc 3.7×10-10 4.0×10-10 4.4×10-11
Ti 4.7×10-10 3.3×10-10 <1.0×10-14
V 3.0×10-10 4.2×10-10 <1.0×10-14
Cr 2.2×10-13 ≥1.3×10-10 <1.0×10-14
Mn <1.0×10-14 ≥4.5×10-11 <1.0×10-14
Fe 4.3×10-13 ≥1.8×10-10 <1.0×10-14
Co 1.5×10-13 ≥1.0×10-10 <1.0×10-14
Ni 5.0×10-14 ≥6.4×10-11 <1.0×10-14
Cu 2.6×10-13 ≥6.6×10-13 <1.0×10-14
Zn 2.7×10-13 ≥6.1×10-12 4.1×10-11
Y 4.7×10-10 3.8×10-10 1.8×10-10
Zr 5.0×10-10 4.3×10-10 6.2×10-11
Nb 5.0×10-10 4.0×10-10 5.4×10-12
Mo 7.5×10-11 2.6×10-10 <1.0×10-14
Tc NAa NAa NAa
Ru 1.6×10-13 ≥1.8×10-10 <1.0×10-14
Rh 1.9×10-14 ≥1.1×10-10 <1.0×10-14
Pd 1.5×10-14 ≥5.4×10-12 <1.0×10-14
Ag 4.5×10-13 <1.6×10-12 <1.0×10-14
Cd <1.0×10-14 <3.3×10-13 <1.0×10-14
La 4.3×10-10 4.4×10-10 3.4×10-10
Hf 4.1×10-10 3.5×10-10 1.6×10-11
Ta 4.6×10-10 3.5×10-10 1.7×10-12
W 4.0×10-10 3.7×10-10 <1.0×10-14
Re 1.1 ×10-12 ≥1.5×10-10 <1.0×10-14
Os 1.6×10-12 ≥1.9×10-10 <1.0×10-14
Ir 7.1×10-14 ≥1.5×10-10 <1.0×10-14
Pt 1.0×10-14 ≥1.1×10-10 <1.0×10-14
Au 1.4 ×10-13 ≥2.1×10-12 <1.0×10-14
Hg 2.4×10-13    —    —
a - NA = not available (Tc is radioactive and Hg+ + C6H6 → C6H6+ + Hg, kobs = 6.7 × 10-10cm3molecule-1s-1)
Back to top
Table 3. Reaction efficiencies for primary reactions with O2 of benzene mono-adducts of transition-metal cations, kobs/kcap and branching ratios for observed primary product ions (BR in %) in He at 0.35 ± 0.01 Torr and 295 ± 2 K.
  kobs/kca BRb(MC6H6O2+) BR(MC6H6O+) BR(MC6H4O+) BR(C6H6+) BR(MO2+) BR(M+) BR(MC4H4+)
 
O2                
                 
ScC6H6+ 0.69 20 40    — 10 30    —    —
YC6H6+ 0.67 40 30    —    — 30    —    —
LaC6H6+ 0.80 20 40    —    — 40    —    —
TiC6H6+ 0.57 10 65    — 20 5    —    —
ZrC6H6+ 0.77 15 40    — 15 30    —    —
HfC6H6+ 0.64 10 50    — 20 20    —    —
VC6H6+ 0.72 10 35 5 30 20    —    —
NbC6H6+ 0.71 10 30    — 30 30    —    —
TaC6H6+ 0.64 10 60    — 10 20    —    —
CrC6H6+ ≥0.22 5    — 60 5    — 30    —
MoC6H6+ 0.46 15 40    — 25 20    —    —
WC6H6+ 0.67 15 45    — 30 10    —    —
MnC6H6+ ≥0.08 100    —    —    —    —    —    —
ReC6H6+ ≥0.27 25    — 20 50 5    —    —
FeC6H6+ ≥0.31 2.5    — 80 2.5    — 15    —
RuC6H6+ ≥0.32 100    —    —    —    —    —    —
OsC6H6+ ≥0.35 20    —    — 20 10    — 50
CoC6H6+ ≥0.17 80    —    —    —    — 20    —
RhC6H6+ ≥0.19 100    —    —    —    —    —    —
IrC6H6+ ≥0.27 90    —    — 10    —    —    —
NiC6H6+ ≥0.11 100    —    —    —    —    —    —
PdC6H6+ ≥9.6×10-3 100    —    —    —    —    —    —
PtC6H6+ ≥0.19 100    —    —    —    —    —    —
CuC6H6+ ≥1.1×10-3 100    —    —    —    —    —    —
AgC6H6+ <2.8×10-3    —    —    —    —    —    —    —
AuC6H6+ ≥3.8×10-3 100    —    —    —    —    —    —
ZnC6H6+ ≥0.01 100    —    —    —    —    —    —
CdC6H6+ <5.9×10-4    —    —    —    —    —    —    —
a - kc = collision rate coefficient calculated with the algorithm of the modified variational transition-state/classical trajectory theory developed by Su and Chesnavich.
b - BR - zero flow intercepts of primary product ions from plots of relative abundance of product ions as a function of O2 flow.
Back to top
Table 4. Reaction rate coefficients for O2 addition (kadd in cm3molecule-1s-1), equilibrium constants for addition reactions at a standard state of 1 atm (Keq) and standard free energies for the ligation reactions (ΔG° in kcal mol-1) in He at 0.35 ± 0.01 Torr and 295 ± 2 K.
  M+ MC6H6+ MC6H6O+ M(C6H6)2+
  White Line White Line White Line White Line
M kadd kadd Keq ΔG° kadd Keq ΔG° kadd Keq ΔG°
 
O2                    
                   
Sc    —a 8.0×10-11 >1.2×107 <-9.6    —    —    — 4.4×10-11 >4.4×106 <-9.1
Ti    — 3.3×10-11 >6.6×107 <-10.7 3.3×10-10 >1.3×108 <-11.0    —    —    —
V    — 4.2×10-11 >1.6×108 <-11.2 7.9×10-11 >2.1×107 <-9.8    —    —    —
Cr 2.2×10-13 ≥6.5×10-12 >2.9×106 <-8.8    —    —    —    —    —    —
Mn <1.0×10-14 ≥4.5×10-11 1.3×107 -9.7    —    —    —    —    —    —
Fe 4.3×10-13 ≥4.5×10-12 >3.7×107 <-10.3    —    —    —    —    —    —
Co 1.5×10-13 ≥8.0×10-11 5.5×107 -10.5    —    —    —    —    —    —
Ni 5.0×10-14 ≥6.4×10-11 2.9×107 -10.2    —    —    —    —    —    —
Cu 2.6×10-13 ≥6.6×10-13 6.3×104 -6.5    —    —    —    —    —    —
Zn 2.7×10-13 ≥6.1×10-12 4.4×105 -7.8    —    —    — 4.1×10-11 >1.3×107 <-9.7
Y    — 1.5×10-10 >2.5×107 <-10.1    —    —    — 1.8×10-10 2.7×107 -10.1
Zr    — 6.5×10-11 >5.2×107 <-10.5 1.3×10-10 >6.9×107 <-10.7 6.2×10-11 >4.3×106 <-9.1
Nb    — 4.0×10-11    —    —    —    —    — 5.4×10-12 4.7×105 -7.7
Mo    — 3.9×10-11    —    —    —    —    —    —    —    —
Ru 1.6×10-13 ≥1.8×10-10 6.4×107 -10.6    —    —    —    —    —    —
Rh 1.9×10-14 ≥1.1×10-10 3.3×107 -10.3    —    —    —    —    —    —
Pd 1.5×10-14 ≥5.4×10-12 5.9×105 -7.9    —    —    —    —    —    —
Ag 4.5×10-13 < 1.6×10-12    —    —    —    —    —    —    —    —
Cd <1.0×10-14 <3.3×10-13    —    —    —    —    —    —    —    —
La    — 8.8×10-11 >1.2×108 <-11.0    —    —    — 3.4×10-10 >3.6×107 <-10.3
Hf    — 3.5×10-11 >2.1×107 <-10.0 1.8×10-10 >5.3×107 <-10.5 1.6×10-11 >8.1×105 <-8.1
Ta    — 1.1×10-10    —    —    —    —    — 1.7×10-12 >5.4×106 <-9.2
W    — 5.6×10-11    —    —    —    —    —    —    —    —
Re 1.1×10-12 ≥3.8×10-11 >1.4×107 <-9.7    —    —    —    —    —    —
Os 1.6×10-12 ≥3.8×10-11 >7.8×106 <-9.4    —    —    —    —    —    —
Ir 7.1×10-14 ≥4.5×10-11 3.3×107 -10.3    —    —    —    —    —    —
Pt 1.0×10-14 ≥1.1×10-10 4.4×107 -10.4    —    —    —    —    —    —
Au 1.4×10-13 ≥2.1×10-12    —    —    —    —    —    —    —    —
a - non-reaction, k < 1×10-14 cm3molecule-1s-1.
Back to top
References [1] Oxidation reactions of Lanthanide Cations with N2O and O2: Periodicities in Reactivity.
G.K. Koyanagi and D.K. Bohme, J. Phys. Chem. A, 105, 8964-8968 (2001).

[2] Gas-Phase Reactions of Transition-Metal Ions with Molecular Oxygen: Room-Temperature Kinetics and Periodicities in Reactivity.
G.K. Koyanagi, D. Caraiman, V. Blagojevic and D.K. Bohme. J. Phys. Chem. A, 106, 4581-4590 (2002).

[3] Periodic Trends in Reactions of Benzene Clusters of Transition-Metal Cations, M(C6H6)1,2+, with Molecular Oxygen.
D. Caraiman and D.K. Bohme. J. Phys. Chem. A, 106, 9705-9717 (2002).

[4] Su, T.; Chesnavich, J. J. Chem. Phys. (1982), 76, 5183-5185.
Back to M+ Chemistry Database