Двухатомная молекула

Модель заполнения пространства двухатомной молекулы диазота, N ₂

Двухатомные молекулы - это молекулы, состоящие всего из двух атомов одного или разных химических элементов . Приставка ди- греческого происхождения, что означает «два». Если двухатомная молекула состоит из двух атомов одного и того же элемента, например водорода (H ₂ ) или кислорода (O ₂ ), то она называется гомоядерной . В противном случае, если двухатомная молекула состоит из двух разных атомов, таких как оксид углерода (CO) или оксид азота (NO), молекула называется гетероядерной . Связь в гомоядерной двухатомной молекуле неполярна.

Периодическая таблица , показывающая элементы , которые существуют в виде гомоядерных двухатомных молекул при обычных 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]

В благородных газах ( гелий , неон , аргон , криптон , ксенон и радон ) также являются газами при STP, но они одноатомные . Гомоядерные двухатомные газы и благородные газы вместе называются «элементарными газами» или «молекулярными газами», чтобы отличить их от других газов, которые представляют собой химические соединения . ^[2]

При немного 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 , количество которых не определено.

Другие элементы образуют двухатомные молекулы при испарении, но эти двухатомные частицы реполимеризуются при охлаждении. Нагревание («крекинг») элементарного фосфора дает дифосфор P ₂ . Пары серы в основном представляют собой дисеру (S ₂ ). Дилитий (Li ₂ ) и динатрий (Na ₂ ) ^[4] известны в газовой фазе. Дитольфрам (W ₂ ) и димолибден (Mo ₂ ) образуются с шестью связями в газовой фазе. Дирубидий (Rb ₂ ) двухатомный.

Гетероядерные молекулы [ править ]

Все остальные двухатомные молекулы представляют собой химические соединения двух разных элементов. Многие элементы могут объединяться в 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 они образуют двухатомные молекулы, например газообразный MgO, SiO и многие другие.

Происшествие [ править ]

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%). Естественное содержание водорода (H 2 ) в атмосфере Земли составляет всего лишь несколько частей на миллион, но H ₂ является самой распространенной двухатомной молекулой во Вселенной. В межзвездной среде преобладают атомы водорода.

Молекулярная геометрия [ править ]

Все двухатомные молекулы линейны и характеризуются одним параметром, которым является длина связи или расстояние 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]

Историческое значение [ править ]

Двухатомные элементы сыграли важную роль в разъяснении концепций элемента, атома и молекулы в 19 веке, потому что 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 одноатомны и что атомы в соединениях обычно имеют простейшие атомные отношения друг к другу. Например, Дальтон предположил, что формула воды представляет собой HO, давая атомный вес кислорода в восемь раз больше, чем у водорода ^[7], вместо современного значения, равного примерно 16. Как следствие, существовала путаница в отношении атомных весов и молекулярных формул примерно в течение 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 веры в то, 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 не были объяснены до более поздних сроков. диссоциирующих молекул.

На Конгрессе по атомным весам в Карлсруэ 1860 года Канниццаро возродил идеи Авогадро и использовал их для создания согласованной таблицы атомных весов, которая в основном соответствует современным значениям. Эти веса были важной предпосылкой для открытия периодического закона со стороны Дмитрия Менделеева и Лотара Мейера . ^[8]

Возбужденные электронные состояния [ править ]

Двухатомные молекулы обычно находятся в самом низком или основном состоянии, которое обычно также называют состоянием. Когда газ, состоящий из двухатомных молекул, бомбардируется энергичными электронами, некоторые молекулы могут быть возбуждены до более высоких электронных состояний, как это происходит, например, в естественном полярном сиянии; высотные ядерные взрывы; и эксперименты с ракетной электронной пушкой. ^[9] Такое возбуждение также может происходить, когда газ поглощает свет или другое электромагнитное излучение. Возбужденные состояния нестабильны и естественным образом возвращаются в основное состояние. Через различные короткие промежутки времени после возбуждения (обычно доли секунды, а иногда и дольше секунды, если возбужденное состояние является метастабильным).${\ displaystyle X}$), переходы происходят из более высоких электронных состояний в более низкие и, в конечном итоге, в основное состояние, и в результате каждого перехода излучается фотон . Это излучение известно как флуоресценция . Последовательно выше , электронные состояния условно названы , , и т.д. (но это соглашение не всегда соблюдается, а иногда и строчные буквы , а в алфавитном порядке вне последовательности используются буквы, как и в примере , приведенном ниже). Энергия возбуждения должна быть больше или равна энергии электронного состояния, чтобы возбуждение произошло.${\ displaystyle A}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle C}$

В квантовой теории электронное состояние двухатомной молекулы представлено символом молекулярного члена

${\ Displaystyle ^ {2S + 1} \ Lambda (v)}$

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 в электронных государственных символов , , , .... Например, приведенной ниже таблице перечислены общие электронные состояния (без колебательных квантовых чисел) наряду с энергией самый низкий колебательный уровень ( ) двухатомного азота (N ₂ ), самого распространенного газа в атмосфере Земли. ^[10] В таблице нижние и верхние индексы после дают дополнительные квантово-механические детали электронного состояния.${\ displaystyle S}$${\ displaystyle \ Lambda}$${\ displaystyle v}$${\ displaystyle \ Lambda}$${\ displaystyle \ Sigma}$${\ displaystyle \ Pi}$${\ displaystyle \ Delta}$${\ displaystyle v = 0}$${\ displaystyle \ Lambda}$

Состояние	Энергия [a] ( , см -1 )${\ displaystyle T_ {0}}$
${\ Displaystyle X ^ {1} \ Sigma _ {g} ^ {+}}$	0,0
${\ displaystyle A ^ {3} \ Sigma _ {u} ^ {+}}$	49754,8
${\displaystyle B^{3}\Pi _{g}}$	59306,8
${\displaystyle W^{3}\Delta _{u}}$	59380,2
${\displaystyle B'^{3}\Sigma _{u}^{-}}$	65851,3
${\displaystyle a'^{1}\Sigma _{u}^{-}}$	67739,3
${\displaystyle a^{1}\Pi _{g}}$	68951,2
${\displaystyle w^{1}\Delta _{u}}$	71698,4

Вышеупомянутая флуоресценция возникает в различных 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 (как правило, в возбужденный газ из двухатомных молекул). Например, полосы излучения N ₂ - (также известные как полосы Вегарда-Каплана) присутствуют в спектральном диапазоне от 0,14 до 1,45 мкм (микрометров). ^[9] Данная полоса может быть распределена на несколько нанометров в электромагнитном пространстве длин волн из-за различных переходов, которые происходят во вращательном квантовом числе молекулы,${\displaystyle A}$${\displaystyle X}$${\displaystyle J}$. Они подразделяются на отдельные ветви поддиапазонов, в зависимости от изменения . ^[11] В ветвь соответствует , тем ветви к , и ветви к . Полосы распространены еще дальше от ограниченного спектрального разрешения от спектрометра , который используется для измерения спектра . Спектральное разрешение зависит от функции рассеяния точки прибора .${\displaystyle J}$${\displaystyle R}$${\displaystyle \Delta J=+1}$${\displaystyle P}$${\displaystyle \Delta J=-1}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle \Delta J=0}$

Уровни энергии [ править ]

Символ молекулярного члена - это сокращенное выражение угловых моментов, которые характеризуют электронные квантовые состояния двухатомной молекулы, которые также являются собственными состояниями электронного молекулярного гамильтониана . Также удобно и распространено представление двухатомной молекулы в виде двухточечных масс, соединенных безмассовой пружиной. Энергии, участвующие в различных движениях молекулы, можно разделить на три категории: поступательные, вращательные и колебательные энергии.

Трансляционные энергии [ править ]

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 [ править ]

Классически кинетическая энергия вращения равна

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

где

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

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

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

${\displaystyle \mu \,}$- 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 энергии вращения двухатомной молекулы задаются следующим образом:

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

Колебательные энергии [ править ]

Другой тип движения двухатомной молекулы для каждого атома вибрировать или вибрируют -along линии , соединяющей два атома. Колебательная энергия примерно такая же, как у 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 расстояний между вращательной и колебательной энергией [ править ]

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 [ править ]

В хороших квантовых числах для двухатомной молекулы, а также хорошие приближения вращательных уровней энергии, могут быть получены путем моделирования молекулы , используя случаи Хунда .

Мнемоника [ править ]

Мнемоника BrINClHOF , произносится как «Brinklehof», ^[12] HONClBrIF , произносится как «Honkelbrif», ^[13] и HOFBrINCl , произносится как «Hofbrinkle», была придумана, чтобы помочь вспомнить список диатомовых элементов. Другой метод для англоговорящих - это предложение: « Never Have Fear of Ice Cold Beer » как представление азота, водорода, фтора, кислорода, йода, хлора, брома.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• 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: Вып. 1 (4-е изд.). WH Freeman. ISBN 1-57259-491-8.

Внешние ссылки [ править ]

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