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 .
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.
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.
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.
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]
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]
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.
В квантовой теории электронное состояние двухатомной молекулы обозначается молекулярным термом
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]
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).
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 .
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]
Поступательная энергия молекулы определяется выражением кинетической энергии :
где - масса молекулы, - ее скорость.
Классически кинетическая энергия вращения равна
где
Для микроскопических систем атомного уровня, таких как молекула, угловой момент может иметь только определенные дискретные значения, заданные формулой
где — неотрицательное целое число, а — приведенная постоянная Планка .
Кроме того, для двухатомной молекулы момент инерции равен
где
Итак, подставляя угловой момент и момент инерции в E rot , уровни вращательной энергии двухатомной молекулы определяются выражением:
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 :
где
Расстояние и энергия типичного спектроскопического перехода между колебательными уровнями энергии примерно в 100 раз больше, чем у типичного перехода между вращательными уровнями энергии.
Хорошие квантовые числа для двухатомной молекулы, а также хорошие приближения уровней вращательной энергии можно получить, моделируя молекулу с использованием случаев Хунда .
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.