Двухатомная молекула

Молекула, состоящая из любых двух атомов

Объемная модель двухатомной молекулы динитрогена, N ₂

Двухатомные молекулы (от греческого «ди» —  «два») — это молекулы , состоящие только из двух атомов одного и того же или разных химических элементов . Если двухатомная молекула состоит из двух атомов одного и того же элемента, например водорода ( H ₂ ) или кислорода ( O ₂ ), то ее называют гомоядерной . В противном случае, если двухатомная молекула состоит из двух разных атомов, например, оксида углерода ( CO ) или оксида азота ( NO ), молекула называется гетероядерной . Связь в гомоядерной двухатомной молекуле неполярна .

Таблица Менделеева, показывающая элементы, которые существуют в виде гомоядерных двухатомных молекул в типичных лабораторных условиях.

Единственными химическими элементами , которые образуют стабильные гомоядерные двухатомные молекулы при стандартной температуре и давлении (STP) (или типичных лабораторных условиях 1 бар и 25 °C), являются газы водород ( H ₂ ), азот ( N ₂ ), кислород ( O _{2 )} . ), фтор ( F ₂ ) и хлор ( Cl ₂ ). ^[1]

Благородные газы ( гелий , неон , аргон , криптон , ксенон и радон ) также являются газами при STP, но они одноатомны . Гомоядерные двухатомные газы и благородные газы вместе называются «элементарными газами» или «молекулярными газами», чтобы отличить их от других газов, которые являются химическими соединениями . ^[2]

При несколько повышенных температурах галогены бром ( Br ₂ ) и йод ( I ₂ ) также образуют двухатомные газы. ^[3] Все галогены наблюдались как двухатомные молекулы, за исключением астата и теннессина , которые не определены.

Другие элементы образуют двухатомные молекулы при испарении, но эти двухатомные соединения повторно полимеризуются при охлаждении. Нагревание («крекинг») элементарного фосфора дает дифосфор ( P ₂ ). Пары серы в основном состоят из дисеры ( S ₂ ). Дилитий ( Li ₂ ) и динатрий ( Na ₂ ) ^[4] известны в газовой фазе. Дивольфрам ( W2 ) и димолибден ( _Мо2 ) образуются с _{шестикратными} связями в газовой фазе . Дирубидий ( Rb ₂ ) двухатомный.

Гетероядерные молекулы

Все остальные двухатомные молекулы представляют собой химические соединения двух разных элементов. Многие элементы могут объединяться с образованием гетероядерных двухатомных молекул в зависимости от температуры и давления.

Примерами являются газы окись углерода (CO), оксид азота (NO) и хлористый водород (HCl).

Многие бинарные соединения 1:1 обычно не считаются двухатомными, поскольку они полимерны при комнатной температуре, но при испарении образуют двухатомные молекулы, например газообразный MgO, SiO и многие другие.

Вхождение

Сотни двухатомных молекул были идентифицированы ^[5] в окружающей среде Земли, в лаборатории и в межзвездном пространстве . Около 99% атмосферы Земли состоит из двух видов двухатомных молекул: азота (78%) и кислорода (21%). Естественная распространенность водорода (H ₂ ) в атмосфере Земли составляет всего лишь порядка частей на миллион, но H ₂ является самой распространенной двухатомной молекулой во Вселенной. В межзвездной среде преобладают атомы водорода.

Молекулярная геометрия

Все двухатомные молекулы линейны и характеризуются одним параметром — длиной связи или расстоянием между двумя атомами. Двухатомный азот имеет тройную связь, двухатомный кислород — двойную связь, а двухатомный водород, фтор, хлор, йод и бром — все имеют одинарные связи. ^[6]

Историческая значимость

Двухатомные элементы сыграли важную роль в выяснении концепций элемента, атома и молекулы в XIX веке, поскольку некоторые из наиболее распространенных элементов, таких как водород, кислород и азот, встречаются в виде двухатомных молекул. Первоначальная атомная гипотеза Джона Дальтона предполагала, что все элементы одноатомны и что атомы в соединениях обычно имеют простейшие атомные соотношения по отношению друг к другу. Например, Дальтон предположил, что формула воды равна HO, что дает атомный вес кислорода в восемь раз больше, чем у водорода ^[7] вместо современного значения примерно 16. Как следствие, существовала путаница в отношении атомного веса и молекулярных формул примерно на протяжении примерно полвека.

Еще в 1805 году Гей-Люссак и фон Гумбольдт показали, что вода состоит из двух объемов водорода и одного объема кислорода, а к 1811 году Амедео Авогадро пришел к правильной интерпретации состава воды, основанной на том, что сейчас называется законом Авогадро. и предположение о двухатомных элементарных молекулах. Однако эти результаты в основном игнорировались до 1860 года, отчасти из-за убеждения, что атомы одного элемента не будут иметь химического сродства к атомам того же элемента, а также отчасти из-за очевидных исключений из закона Авогадро, которые только позже были объяснены в терминах диссоциирующих молекул.

На Конгрессе по атомным весам в Карлсруэ в 1860 году Канниццаро ​​возродил идеи Авогадро и использовал их для создания последовательной таблицы атомных весов, которая в основном согласуется с современными ценностями. Эти веса были важной предпосылкой для открытия периодического закона Дмитрием Менделеевым и Лотаром Мейером . ^[8]

Возбужденные электронные состояния

Двухатомные молекулы обычно находятся в низшем или основном состоянии, которое традиционно также называют состоянием . Когда газ, состоящий из двухатомных молекул, бомбардируется энергичными электронами, некоторые молекулы могут перейти в более высокие электронные состояния, как это происходит, например, в естественном полярном сиянии; высотные ядерные взрывы; и эксперименты с ракетной электронной пушкой. ^[9] Такое возбуждение может также произойти, когда газ поглощает свет или другое электромагнитное излучение. Возбужденные состояния нестабильны и естественным образом релаксируют обратно в основное состояние. В течение различных коротких временных масштабов после возбуждения (обычно доли секунды, а иногда и больше секунды, если возбужденное состояние метастабильно ) происходят переходы от более высоких электронных состояний к более низким и, в конечном итоге, к основному состоянию, и в результате каждого перехода испускается фотон . Это излучение известно как флуоресценция . Последовательно высшие электронные состояния условно называются , , и т. д. (но это соглашение не всегда соблюдается, и иногда используются строчные буквы и буквы, выходящие из алфавитной последовательности, как в примере, приведенном ниже). Чтобы произошло возбуждение, энергия возбуждения должна быть больше или равна энергии электронного состояния. ${\displaystyle X}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle B}$ ${\displaystyle C}$

В квантовой теории электронное состояние двухатомной молекулы обозначается символом молекулярного термина

${\displaystyle ^{2S+1}\Lambda (v)_{(g/u)}^{+/-}}$

где – полное квантовое число электронного спина, – полное квантовое число электронного углового момента вдоль межъядерной оси, – колебательное квантовое число. принимает значения 0, 1, 2, ..., которые представлены символами электронного состояния , , ,.... Например, в следующей таблице перечислены общие электронные состояния (без колебательных квантовых чисел) вместе с энергией самый низкий колебательный уровень ( ) двухатомного азота (N ₂ ), самого распространенного газа в атмосфере Земли. ^[10] ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle \Sigma }$ ${\displaystyle \Pi }$ ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle v=0}$

Нижние и верхние индексы после дают дополнительные квантовомеханические подробности об электронном состоянии. Верхний индекс или определяет, приводит ли отражение в плоскости, содержащей межъядерную ось, к изменению знака волновой функции. Подстрочный индекс или относится к молекулам из одинаковых атомов, и при отражении состояния вдоль плоскости, перпендикулярной оси молекулы, состояния, которые не изменяются, обозначаются (гераде), а состояния, меняющие знак, обозначаются (унгераде). ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle +}$ ${\displaystyle -}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle u}$

1. Единицы «энергии» здесь на самом деле являются обратной величиной длины волны фотона, испускаемого при переходе в состояние с наименьшей энергией. Фактическую энергию можно найти, умножив данную статистику на произведение c (скорости света) и h (постоянной Планка); т.е. примерно 1,99 × 10 ^-25 Джоуль-метров, а затем умножается еще на коэффициент 100 для перевода см ^-1 в м ^-1 .

Вышеупомянутая флуоресценция происходит в отдельных областях электромагнитного спектра , называемых « полосами излучения »: каждая полоса соответствует определенному переходу от более высокого электронного состояния и колебательного уровня к более низкому электронному состоянию и колебательному уровню (обычно в процессе участвует множество колебательных уровней). возбужденный газ из двухатомных молекул). Например, полосы эмиссии N ₂ - (также известные как полосы Вегарда-Каплана) присутствуют в спектральном диапазоне от 0,14 до 1,45 мкм (микрометров). ^[9] Данная полоса может распространяться на несколько нанометров в пространстве электромагнитных длин волн из-за различных переходов, которые происходят во вращательном квантовом числе молекулы . Они подразделяются на отдельные ветви поддиапазонов в зависимости от изменения . ^[11] Ветка соответствует , ветка для и ветка для . Полосы расширяются еще больше из-за ограниченного спектрального разрешения спектрометра , который используется для измерения спектра . Спектральное разрешение зависит от функции рассеяния точки прибора . ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle X}$ ${\displaystyle J}$ ${\displaystyle J}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \Delta J=+1}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle \Delta J=-1}$ ${\displaystyle Q}$ ${\displaystyle \Delta J=0}$

Уровни энергии

Символ молекулярного термина представляет собой сокращенное выражение угловых моментов, которые характеризуют электронные квантовые состояния двухатомной молекулы, которые также являются собственными состояниями электронного молекулярного гамильтониана . Также удобно и обычно представлять двухатомную молекулу в виде двухточечных масс, соединенных безмассовой пружиной. Энергии, участвующие в различных движениях молекулы, затем можно разбить на три категории: поступательную, вращательную и колебательную энергии. Теоретическое исследование вращательных уровней энергии двухатомных молекул можно описать, используя приведенное ниже описание вращательной энергии. энергетические уровни. В то время как исследование колебательного уровня энергии двухатомных молекул может быть описано с использованием приближения гармонического осциллятора или с использованием квантовых колебательных потенциалов взаимодействия. ^{[12] [13]} Эти потенциалы дают более точные уровни энергии, поскольку они учитывают множество вибрационных эффектов.

Что касается истории, первое рассмотрение двухатомных молекул с помощью квантовой механики было сделано Люси Менсинг в 1926 году. ^[14]

Трансляционные энергии

Поступательная энергия молекулы определяется выражением кинетической энергии :

${\displaystyle E_{\text{trans}}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$

где – масса молекулы, – ее скорость. ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle v}$

Вращательные энергии

Классически кинетическая энергия вращения равна

${\displaystyle E_{\text{rot}}={\frac {L^{2}}{2I}}\,}$

где

${\displaystyle L\,}$угловой момент

${\displaystyle I\,}$это момент инерции молекулы

Для микроскопических систем атомного уровня, таких как молекула, угловой момент может иметь только определенные дискретные значения, определяемые формулой

${\displaystyle L^{2}=\ell (\ell +1)\hbar ^{2}\,}$

где – неотрицательное целое число, – приведенная константа Планка . ${\displaystyle \ell }$ ${\displaystyle \hbar }$

Кроме того, для двухатомной молекулы момент инерции равен

${\displaystyle I=\mu r_{0}^{2}\,}$

где

${\displaystyle \mu \,}$– приведенная масса молекулы и

${\displaystyle r_{0}\,}$— среднее расстояние между центрами двух атомов в молекуле.

Итак, подставив угловой момент и момент инерции в E _rot , уровни вращательной энергии двухатомной молекулы определяются выражением:

${\displaystyle E_{\text{rot}}={\frac {l(l+1)\hbar ^{2}}{2\mu r_{0}^{2}}}\ \ \ \ \ l=0,1,2,...\,}$

Вибрационные энергии

Другой тип движения двухатомной молекулы заключается в том, что каждый атом колеблется — или вибрирует — вдоль линии, соединяющей два атома. Энергия колебаний примерно равна энергии квантового гармонического осциллятора :

${\displaystyle E_{\text{vib}}=\left(n+{\frac {1}{2}}\right)\hbar \omega \ \ \ \ \ n=0,1,2,....\,}$

где

${\displaystyle n}$целое число

${\displaystyle \hbar }$– приведенная постоянная Планка и

${\displaystyle \omega }$- угловая частота вибрации.

Сравнение вращательных и вибрационных энергетических интервалов

Расстояние и энергия типичного спектроскопического перехода между уровнями колебательной энергии примерно в 100 раз больше, чем у типичного перехода между уровнями вращательной энергии .

дела Хунда

Хорошие квантовые числа для двухатомной молекулы, а также хорошие аппроксимации вращательных уровней энергии могут быть получены путем моделирования молекулы с использованием случаев Хунда .

Мнемоника

Мнемоники BrINClHOF , произносится «Brinklehof», ^[15] HONClBrIF , произносится «Honkelbrif», ^[16] «HOBrFINCl», произносится «Hoberfinkel», и HOFBrINCl , произносится «Hofbrinkle», были придуманы, чтобы помочь вспомнить список двухатомных атомов. элементы. Другим методом для англоговорящих является предложение: « Никогда не бойтесь ледяного пива » как представление азота, водорода, фтора, кислорода, йода, хлора, брома.

Смотрите также

• Симметрия двухатомных молекул
• метод AX
• Восьмиатомный элемент
• Ковалентная связь
• Промышленный газ

Рекомендации

1. Хаммонд, CR (2012). «Раздел 4: Свойства элементов и неорганических соединений» (PDF) . Справочник по химии и физике . Архивировано (PDF) из оригинала 11 ноября 2011 года.
2. Эмсли, Дж. (1989). Элементы . Оксфорд: Кларендон Пресс. стр. 22–23. ISBN 9780198555681.
3. Уиттен, Кеннет В.; Дэвис, Рэймонд Э.; Пек, М. Ларри; Стэнли, Джордж Г. (2010). Химия (9-е изд.). Брукс/Коул, Cengage Learning. стр. 337–338. ISBN 9780495391630.
4. Лу, ZW; Ван, К.; Он, ВМ; Ма, З.Г. (июль 1996 г.). «Новые параметрические эмиссии в двухатомных молекулах натрия». Прикладная физика Б. 63 (1): 43–46. Бибкод : 1996ApPhB..63...43L. дои : 10.1007/BF01112836. S2CID  120378643.
5. Хубер, КП; Герцберг, Г. (1979). Молекулярные спектры и молекулярная структура IV. Константы двухатомных молекул . Нью-Йорк: Ван Ностранд: Рейнхольд. ISBN 978-0-442-23394-5.
6. Браун, Кэтрин; Форд, Майк (2014). Химия стандартного уровня (2-е изд.). Прентис Холл. стр. 123–125. ISBN 9781447959069.
7. Лэнгфорд, Купер Гарольд ; Биби, Ральф Алонзо (1 января 1995 г.). Развитие химических принципов. Курьерская корпорация. ISBN 9780486683591.
8. Иде, Аарон Дж. (1961). «Конгресс в Карлсруэ: столетняя ретроспектива». Журнал химического образования . 38 (2): 83–86. Бибкод : 1961JChEd..38...83I. дои : 10.1021/ed038p83. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года . Проверено 24 августа 2007 г.
9. Гилмор, Форрест Р.; Лахер, Расс Р.; Эспи, Патрик Дж. (1992). «Факторы Франка-Кондона, r-центроиды, моменты электронного перехода и коэффициенты Эйнштейна для многих систем азотного и кислородного диапазонов». Журнал физических и химических справочных данных . 21 (5): 1005–1107. Бибкод : 1992JPCRD..21.1005G. дои : 10.1063/1.555910. Архивировано из оригинала 9 июля 2017 года.
10. Лахер, Расс Р.; Гилмор, Форрест Р. (1991). «Улучшенная аппроксимация констант вибрации и вращения многих состояний азота и кислорода». Журнал физических и химических справочных данных . 20 (4): 685–712. Бибкод : 1991JPCRD..20..685L. дои : 10.1063/1.555892. Архивировано из оригинала 2 июня 2018 года.
11. Левин, Ира Н. (1975), Молекулярная спектроскопия , John Wiley & Sons, стр. 508–9, ISBN 0-471-53128-6
12. Мишра, Свати (2022). «Температурные поведенческие переходы в ограниченном гелии: влияние взаимодействия газа со стенкой на динамику и транспорт в криогенном пределе». Химическая термодинамика и термический анализ . 7 (август): 100073. doi : 10.1016/j.ctta.2022.100073 .
13. Аль-Раи, Марван (2022). «Удельный объем связи потенциала Морзе: простая формула, применимая к димерам и ползунку мягко-твердой плиты». Физический журнал: конденсированное вещество . 34 (28): 284001. Бибкод : 2022JPCM...34B4001A. дои : 10.1088/1361-648X/ac6a9b . ПМИД  35544352.
14. Менсинг, Люси (1 ноября 1926 г.). «Die Rotations-Schwingungsbanden nach der Quantenmechanik». Zeitschrift für Physik (на немецком языке). 36 (11): 814–823. Бибкод : 1926ZPhy...36..814M. дои : 10.1007/BF01400216. ISSN  0044-3328. S2CID  123240532.
15. «Мнемоника BrINClHOF (произносится как Brinklehoff) в химии» . Проверено 1 июня 2019 г.
16. Шерман, Алан (1992). Химия и наш меняющийся мир. Прентис Холл. п. 82. ИСБН 9780131315419.

дальнейшее чтение

• Хубер, КП; Герцберг, Г. (1979). Молекулярные спектры и молекулярная структура IV. Константы двухатомных молекул . Нью-Йорк: Ван Ностранд: Рейнхольд.
• Типлер, Пол (1998). Физика для ученых и инженеров: Том. 1 (4-е изд.). У. Х. Фриман. ISBN 1-57259-491-8.

Внешние ссылки

• Гиперфизика – вращательные спектры молекул жесткого ротора
• Гиперфизика – квантовый гармонический осциллятор
• 3D Chem – химия, структуры и 3D-молекулы
• IUMSC - Центр молекулярной структуры Университета Индианы