Двухатомная молекула

Молекула, состоящая из любых двух атомов

Заполняющая пространство модель двухатомной молекулы диазота, N ₂

Двухатомные молекулы (от греческого di-  'два') - это молекулы , состоящие только из двух атомов , одинаковых или разных _{химических} элементов . Если двухатомная молекула состоит из двух атомов одного и того же элемента, например водорода ( H2 ₎ или кислорода ( O2 ), то она называется 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 неполярная .

Периодическая таблица, 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 (СТП) (или при типичных лабораторных условиях 1 _бар и 25 °C), являются газы водород ( H2 ), азот ( N2 ), кислород ( _{O2 )} , фтор ( F2 ) и хлор ( Cl2 ) , _{а также} жидкий бром ( _Br2 ). ^[1]

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

При слегка повышенных температурах галогены бром ( Br2 ) и йод ( I2 ) также образуют двухатомные газы. ^[3] _Все галогены наблюдались в виде двухатомных молекул, за исключением астата и _{теннессина} , которые не определены.

_Другие элементы образуют двухатомные молекулы при испарении, но эти двухатомные виды реполимеризуются при охлаждении. Нагревание («крекинг») элементарного фосфора дает дифосфор ( P2 ). Пары серы в основном представляют собой _дисеру ( S2 ₎ . Дилитий ( Li2 ) и динатрий ( Na2 ₎ ^[4] известны в газовой фазе. Дивольфрам ( W2 ) и _{димолибден} ( Mo2 ) _{образуются} с _{шестеричными} связями в газовой фазе. Дирубидий ( Rb2 ) является двухатомным.

Гетероядерные молекулы

Все остальные двухатомные молекулы являются химическими соединениями двух разных элементов. Многие элементы могут объединяться, образуя гетероядерные двухатомные молекулы, в зависимости от температуры и давления.

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

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

Происшествие

Сотни двухатомных молекул были идентифицированы ^[5] в окружающей среде Земли, в лабораторных условиях и в межзвездном пространстве . Около 99% атмосферы Земли состоит из двух видов двухатомных молекул: азота (78%) и кислорода (21%). Естественное содержание водорода (H2 ₎ в атмосфере Земли составляет всего лишь порядка частей на миллион, но H2 _{является} самой распространенной двухатомной молекулой во Вселенной. В межзвездной среде преобладают атомы водорода.

Молекулярная геометрия

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

Историческое значение

Двухатомные элементы сыграли важную роль в разъяснении понятий элемента, атома и молекулы в 19 веке, поскольку некоторые из наиболее распространенных элементов, такие как водород, кислород и азот, встречаются в виде двухатомных молекул. Первоначальная атомная гипотеза Джона Дальтона предполагала, что все элементы являются одноатомными и что атомы в соединениях обычно имеют простейшие атомные соотношения по отношению друг к другу. Например, Дальтон предположил, что формула воды — HO, что дает атомный вес кислорода в восемь раз больше, чем у водорода, ^[7] вместо современного значения около 16. Как следствие, путаница относительно атомных весов и молекулярных формул существовала около полувека.

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 предположении 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 были объяснены только позднее с точки зрения диссоциирующих молекул.

На конгрессе в Карлсруэ 1860 года по атомным весам Канниццаро ​​воскресил идеи Авогадро и использовал их для создания последовательной таблицы атомных весов, которые в основном согласуются с современными значениями. Эти веса были важной предпосылкой для открытия периодического закона Дмитрием Менделеевым и Лотаром Мейером . ^[8]

Возбужденные электронные состояния

Двухатомные молекулы обычно находятся в своем самом низком или основном состоянии, которое традиционно также известно как состояние. Когда газ двухатомных молекул бомбардируется энергичными электронами, некоторые молекулы могут быть возбуждены до более высоких электронных состояний, как это происходит, например, при естественном полярном сиянии; высотных ядерных взрывах; и экспериментах с электронными пушками на ракетах. ^[9] Такое возбуждение может также происходить, когда газ поглощает свет или другое электромагнитное излучение. Возбужденные состояния нестабильны и естественным образом возвращаются в основное состояние. В течение различных коротких временных масштабов после возбуждения (обычно доли секунды или иногда дольше секунды, если возбужденное состояние метастабильно ) происходят переходы из более высоких в более низкие электронные состояния и в конечном итоге в основное состояние, и в результате каждого перехода испускается фотон . Это излучение известно как флуоресценция . Последовательно более высокие электронные состояния традиционно называются , , , и т. д. (но это соглашение не всегда соблюдается, и иногда используются строчные буквы и буквы, идущие в алфавитном порядке вне последовательности, как в примере, приведенном ниже). Для возникновения возбуждения 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 молекулярным термом

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

где — полное электронное спиновое квантовое число, — полное электронное квантовое число 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 самого низкого колебательного уровня ( ) двухатомного азота (N ₂ ), самого распространенного газа в атмосфере Земли. ^[10] ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle \Sigma }$ ${\displaystyle \Pi }$ ${\displaystyle \Delta }$ ${\displaystyle v=0}$

Подстрочные и надстрочные индексы после дают дополнительные квантово-механические данные об электронном состоянии. Надстрочный индекс или определяет, приводит ли отражение в плоскости, содержащей межъядерную ось, к изменению знака волновой функции. Подстрочный индекс или применяется к молекулам идентичных атомов, и при отражении состояния вдоль плоскости, перпендикулярной молекулярной оси, состояния, которые не изменяются, помечаются (gerade), а состояния, которые меняют знак, помечаются (ungerade). ${\displaystyle \Lambda }$ ${\displaystyle +}$ ${\displaystyle -}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle u}$ ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle u}$

1. Единицы измерения "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 (скорость света) и h (постоянная Планка); т. е. около 1,99 × 10−25 ^{джоулей} -метров, а затем умножив на дополнительный коэффициент 100 для преобразования из см ⁻¹ в м ⁻¹ .

Вышеупомянутая флуоресценция происходит в различных областях электромагнитного спектра , называемых « полосами излучения »: каждая полоса соответствует определенному переходу из более высокого электронного состояния и колебательного уровня в более низкое электронное состояние и колебательный уровень (обычно в возбужденном газе двухатомных молекул задействовано множество колебательных уровней). Например, полосы излучения N 2 ₍ они же полосы Вегарда-Каплана) присутствуют в спектральном диапазоне от 0,14 до 1,45 мкм (микрометров). ^[9] Данная полоса может быть распространена на несколько нанометров в пространстве электромагнитных длин волн из-за различных переходов, которые происходят во вращательном квантовом числе молекулы, . Они классифицируются на отдельные ветви подполос в зависимости от изменения . ^[11] Ветвь соответствует , ветвь к , и ветвь к . Полосы еще больше разбросаны 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 является сокращенным выражением угловых моментов, которые характеризуют электронные квантовые состояния двухатомной молекулы, которые также являются собственными состояниями электронного молекулярного гамильтониана . Также удобно и общепринято 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 энергию. Теоретическое исследование уровней вращательной энергии двухатомных молекул можно описать с помощью приведенного ниже описания уровней вращательной энергии. В то время как исследование уровня колебательной энергии двухатомных молекул можно описать с помощью приближения гармонического осциллятора или с помощью квантовых потенциалов колебательного взаимодействия. ^{[12] [13]} Эти потенциалы дают более точные уровни энергии, поскольку они учитывают множественные колебательные эффекты.

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

Энергии трансляции

Поступательная энергия молекулы определяется выражением кинетической энергии :

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

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

Энергии вращения

Классически кинетическая энергия вращения равна

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

где

${\displaystyle L\,}$это момент импульса

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

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

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

где — неотрицательное целое число, а — приведенная постоянная Планка . ${\displaystyle \ell }$ ${\displaystyle \hbar }$

Кроме того, для двухатомной молекулы момент инерции равен

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

где

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

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

Итак, подставляя 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 приблизительно равна энергии квантового гармонического осциллятора :

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

где

${\displaystyle n}$это целое число

${\displaystyle \hbar }$— это приведенная постоянная Планка и

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

Сравнение между вращательными и колебательными энергетическими интервалами

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

дела Хунда

Хорошие квантовые числа для двухатомной молекулы, а также хорошие приближения уровней вращательной энергии можно получить, моделируя молекулу с использованием случаев Хунда .

Мнемоника

Мнемоники BrINClHOF , произносится как «Бринклехоф», ^[15] HONClBrIF , произносится как «Хонкельбриф», ^[16] «HOBrFINCl», произносится как «Хоберфинкель», и HOFBrINCl , произносится как «Хофбринкль», были придуманы для того, чтобы помочь вспомнить список двухатомных элементов. Другой метод для англоговорящих людей — это предложение: « Never Have Fear of Ice Cold Beer » как представление азота, водорода, фтора, кислорода, йода, хлора, брома.

Смотрите также

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

Ссылки

1. Хаммонд, CR (2012). "Раздел 4: Свойства элементов и неорганических соединений" (PDF) . Справочник по химии и физике . Архивировано (PDF) из оригинала 11 ноября 2011 г.
2. Эмсли, Дж. (1989). Элементы . Оксфорд: Clarendon Press. С. 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. Lu, ZW; Wang, Q.; He, WM; Ma, ZG (июль 1996 г.). «Новые параметрические излучения в двухатомных молекулах натрия». Applied Physics B . 63 (1): 43–46. Bibcode :1996ApPhB..63...43L. doi :10.1007/BF01112836. S2CID  120378643.
5. Хубер, К. П.; Герцберг, Г. (1979). Молекулярные спектры и молекулярная структура IV. Константы двухатомных молекул . Нью-Йорк: Van Nostrand: Reinhold. ISBN 978-0-442-23394-5.
6. Браун, Кэтрин; Форд, Майк (2014). Стандартный уровень химии (2-е изд.). Prentice Hall. стр. 123–125. ISBN 9781447959069.
7. Лэнгфорд, Купер Гарольд ; Биб, Ральф Алонзо (1 января 1995 г.). Развитие химических принципов. Courier Corporation. ISBN 9780486683591.
8. Ihde, Aaron J. (1961). "The Karlsruhe Congress: A centennial retrospective". Journal of Chemical Education . 38 (2): 83–86. Bibcode : 1961JChEd..38...83I. doi : 10.1021/ed038p83. Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 г. Получено 24 августа 2007 г.
9. Gilmore, Forrest R.; Laher, Russ R.; Espy, Patrick J. (1992). «Факторы Франка-Кондона, r-центроиды, электронные переходные моменты и коэффициенты Эйнштейна для многих систем полос азота и кислорода». Journal of Physical and Chemical Reference Data . 21 (5): 1005–1107. Bibcode : 1992JPCRD..21.1005G. doi : 10.1063/1.555910. Архивировано из оригинала 9 июля 2017 г.
10. Laher, Russ R.; Gilmore, Forrest R. (1991). «Улучшенные подгонки для колебательных и вращательных констант многих состояний азота и кислорода». Journal of Physical and Chemical Reference Data . 20 (4): 685–712. Bibcode : 1991JPCRD..20..685L. doi : 10.1063/1.555892. Архивировано из оригинала 2 июня 2018 г.
11. Левин, Айра Н. (1975), Молекулярная спектроскопия , John Wiley & Sons, стр. 508–509, ISBN 0-471-53128-6
12. Мишра, Свати (2022). «Температурно-управляемые поведенческие переходы в ограниченном гелии: эффекты 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. Al-Raeei, Marwan (2022). «Удельный объем связи потенциала Морзе: простая формула с приложениями к димерам и ползунку мягко-жесткой пластины». Journal of Physics: Condensed Matter . 34 (28): 284001. Bibcode : 2022JPCM...34B4001A. doi : 10.1088/1361-648X/ac6a9b . PMID  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. "Мнемонический BrINClHOF (произносится как Brinklehoff) в химии" . Получено 1 июня 2019 г. .
16. Шерман, Алан (1992). Химия и наш меняющийся мир. Prentice Hall. стр. 82. ISBN 9780131315419.

Дальнейшее чтение

• Хубер, К. П.; Герцберг, Г. (1979). Молекулярные спектры и молекулярная структура IV. Константы двухатомных молекул . Нью-Йорк: Van Nostrand: Reinhold.
• Типлер, Пол (1998). Физика для ученых и инженеров: Том 1 (4-е изд.). WH Freeman. 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