Молекулярный водород существует в двух изомерных формах, одна с двумя протонными ядерными спинами, выровненными параллельно (ортоводород), другая с двумя протонными спинами, выровненными антипараллельно (параводород). [1] Эти две формы часто называют спиновыми изомерами. [2]
Параводород находится в более низком энергетическом состоянии, чем ортоводород. При комнатной температуре и тепловом равновесии тепловое возбуждение заставляет водород состоять приблизительно из 75% ортоводорода и 25% параводорода. Когда водород сжижается при низкой температуре, происходит медленный спонтанный переход к преимущественно пара-соотношению, при этом выделяемая энергия имеет значение для хранения. По существу чистая форма параводорода может быть получена при очень низких температурах, но невозможно получить образец, содержащий более 75% ортоводорода, путем нагревания.
Смесь орто- и параводорода в соотношении 50:50 можно приготовить в лаборатории, пропустив ее через катализатор на основе оксида железа (III) при температуре жидкого азота (77 K) [3] или сохраняя водород при 77 K в течение 2–2 дней. 3 часа в присутствии активированного угля. [4] В отсутствие катализатора параводороду в газовой фазе требуются дни для релаксации до нормального водорода при комнатной температуре, в то время как в органических растворителях для этого требуются часы. [4]
Ядерные спиновые состояния H 2 [ править ]
Этот раздел может быть слишком техническим, чтобы его могло понять большинство читателей . Май 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( |
Каждая молекула водорода ( H
2) состоит из двух атомов водорода, связанных ковалентной связью . Если пренебречь небольшой долей дейтерия и трития, которые могут присутствовать, каждый атом водорода состоит из одного протона и одного электрона . Каждый протон имеет связанный с ним магнитный момент , который связан со спином протона от 1 / 2 . В H
2В молекуле спины двух ядер водорода (протонов) соединяются, образуя триплетное состояние, известное как ортоводород , и синглетное состояние, известное как параводород .
Состояние триплетного ортоводорода имеет полный ядерный спин I = 1, так что компонент вдоль определенной оси может иметь три значения M I = 1, 0 или -1. Соответствующие спиновые волновые функции ядерных являются , и . Здесь используются стандартные обозначения бюстгальтера ; символ ↑ представляет волновую функцию со спином вверх, а символ ↓ - волновую функцию со спином вниз для ядра, поэтому ↑ ↓ означает, что первое ядро находится вверху, а второе - вниз. Тогда каждый энергетический уровень ортоводорода имеет (ядерное) вырождение спина, равное трем, что означает, что он соответствует трем состояниям с одинаковой энергией (в отсутствие магнитного поля). [1]Синглетное параводородное состояние имеет ядерные спиновые квантовые числа I = 0 и M I = 0 с волновой функцией . Поскольку существует только одна возможность, каждый уровень параводорода имеет вырождение по спину, равное единице, и называется невырожденным. [1]
Допустимые уровни энергии вращения [ править ]
Так как протоны имеют спин 1 / 2 , они являются фермионами и перестановочный антисимметрия от общего H
2волновая функция накладывает ограничения на возможные вращательные состояния двух форм H
2. [1] Ортоводород с симметричными функциями ядерного спина может иметь только вращательные волновые функции, антисимметричные по отношению к перестановке двух протонов, соответствующие нечетным значениям вращательного квантового числа J ; наоборот, параводород с антисимметричной спиновой функцией ядра, может иметь только вращательные волновые функции, симметричные относительно перестановки два протонов, соответствующие даже J . [1]
Пара-форма, нижний уровень которой J = 0, более устойчива на 1,455 кДж / моль [5] [6], чем ортоформа, нижний уровень которой составляет J = 1. Соотношение между количеством орто- и пара-молекул составляет примерно 3: 1. при стандартной температуре, где заселяются многие уровни вращательной энергии, что благоприятствует орто-форме в результате воздействия тепловой энергии. Однако при низких температурах заметно заселяется только уровень J = 0, так что параформа доминирует при низких температурах (примерно 99,8% при 20 K). [7] В теплоту парообразованиясоставляет всего 0,904 кДж / моль. В результате орто-жидкий водород, уравновешивающийся параформой, выделяет достаточно энергии, чтобы вызвать значительные потери при кипении. [5]
Тепловые свойства [ править ]
Этот раздел требует дополнительных ссылок на вторичные или третичные источники,Май 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( |
Применяя приближение жесткого ротора , энергии и вырождения вращательных состояний определяются как: [8] [ требуется страница ]
- .
Вращательная статистическая сумма обычно записывается как: [ необходима цитата ]
- .
Однако до тех пор, пока два спиновых изомера не находятся в равновесии, более полезно написать отдельные функции распределения для каждого: [ необходима цитата ]
Множитель 3 в статистической сумме для ортоводорода учитывает вырождение спина, связанное со спиновым состоянием +1; когда возможно равновесие между спиновыми изомерами, тогда общая статистическая сумма, включающая эту разницу в вырождении, может быть записана как: [ необходима цитата ]
Молярная энергия вращения и теплоемкость выводятся для любого из этих случаев из: [ необходима цитата ]
Графики, показанные здесь, представляют собой молярные энергии вращения и теплоемкости для орто- и параводорода, а также "нормальное" соотношение орто: пара (3: 1) и равновесные смеси: [ необходима цитата ]
Из-за накладываемого антисимметрией ограничения на возможные вращательные состояния ортоводород имеет остаточную вращательную энергию при низкой температуре, при которой почти все молекулы находятся в состоянии J = 1 (молекулы в симметричном спин-триплетном состоянии не могут попасть в самое низкое, симметричное вращательное состояние. ) и обладает энтропией ядерного спина из-за трехкратного вырождения триплетного состояния. [ необходима цитата ] Остаточная энергия важна, потому что уровни энергии вращения относительно широко разнесены в H
2; зазор между первыми двумя уровнями, выраженный в единицах температуры, в два раза превышает характеристическую температуру вращения для H
2: [ необходима цитата ]
- .
Это точка пересечения T = 0, наблюдаемая в молярной энергии ортоводорода. Так как «нормальный» при комнатной температуре водород в соотношении 3: 1 орто: пара смеси, его мольная остаточная энергия вращения при низкой температуре (3/4) × 2 Rθ гниль ≈ тысяча девяносто-один Дж / моль, [ править ] , который несколько больше , чем энтальпия испарения нормального водорода, 904 Дж / моль при температуре кипения, T b ≈ 20,369 К. [9] Примечательно, что точки кипения параводорода и нормального (3: 1) водорода почти равны; для параводорода ∆H vap ≈ 898 Дж / моль при T b≈ 20,277 К, и отсюда следует, что почти вся остаточная энергия вращения ортоводорода сохраняется в жидком состоянии. [ необходима цитата ]
Однако ортоводород термодинамически нестабилен при низких температурах и самопроизвольно превращается в параводород. [10] В этом процессе отсутствует какой-либо естественный режим излучения девозбуждения, поэтому он является медленным в отсутствие катализатора, который может способствовать взаимному преобразованию синглетного и триплетного спиновых состояний. [11] При комнатной температуре водород содержит 75% ортоводорода, пропорцию, которую сохраняет процесс сжижения, если его проводят в отсутствие катализатора, такого как оксид железа , активированный уголь , платинированный асбест, редкоземельные металлы, соединения урана, оксид хрома или некоторые соединения никеля для ускорения преобразования жидкого водородав параводород. В качестве альтернативы можно использовать дополнительное холодильное оборудование для медленного поглощения тепла, которое фракция ортоводорода будет (более медленно) выделять, когда она самопроизвольно превращается в параводород. [ необходима цитата ] Если ортоводород не удаляется из быстро сжиженного водорода без катализатора, тепло, выделяющееся во время его распада, может испарить до 50% исходной жидкости.
История [ править ]
Необычная теплоемкость водорода была обнаружена в 1912 году Арнольдом Ойкеном . [12] Две формы молекулярного водорода были впервые предложены Вернером Гейзенбергом и Фридрихом Хундом в 1927 году. Принимая во внимание эту теоретическую основу, чистый параводород был впервые синтезирован Полом Хартеком и Карлом Фридрихом Бонхёффером в 1929 году в Институте физической химии кайзера Вильгельма. и электрохимия . [13] Когда Гейзенбергу в 1932 году была присуждена Нобелевская премия по физике за создание квантовой механики, это открытие «аллотропных форм водорода» было выделено как наиболее примечательное ее применение. [14]Дальнейшая работа над свойствами и химической реакционной способностью параводорода была проведена в следующем десятилетии Элли Агаллидис и Георг-Мария Шваб . [15]
С тех пор современное выделение чистого параводорода было достигнуто с помощью быстрого осаждения в вакууме твердого параводорода толщиной в миллиметры (p – H
2) образцы, которые отличаются превосходными оптическими качествами. [16]
Использование в ЯМР и МРТ [ править ]
Когда во время реакций гидрирования используется избыток параводорода (вместо обычной смеси ортоводорода с параводородом 3: 1), полученный продукт демонстрирует гиперполяризованные сигналы в протонном ЯМР- спектре, эффект, называемый PHIP (поляризация, индуцированная параводородом) или, что эквивалентно, ПАСАДЕНА (параводород и синтез позволяют значительно улучшить ядерное выравнивание; назван в честь первого признания эффекта Бауэрсом и Вайтекампом из Калифорнийского технологического института ), [17] [ необходима цитата ] - феномен, который использовался для изучения механизма реакций гидрогенизации. [18] [19]
Усиление сигнала путем обратимого обмена (SABRE) - это метод гиперполяризации образцов без их химического изменения. По сравнению с ортоводородом или органическими молекулами, гораздо большая часть ядер водорода в параводороде выравнивается с приложенным магнитным полем. В SABRE металлический центр обратимо связывается как с тестовой молекулой, так и с молекулой параводорода, облегчая молекулу-мишень улавливать поляризацию параводорода. [20] Этот метод можно улучшить и использовать для широкого диапазона органических молекул, используя промежуточную «ретрансляционную» молекулу, такую как аммиак. Аммиак эффективно связывается с металлическим центром и улавливает поляризацию параводорода. Затем аммиак переносит другие молекулы, которые не связываются также с металлическим катализатором.[21] Этот усиленный сигнал ЯМР позволяет быстро анализировать очень небольшие количества материала и имеет большой потенциал для применения в магнитно-резонансной томографии .
Дейтерий [ править ]
Двухатомный дейтерий ( D
2) имеет изомеры ядерного спина, такие как двухатомный водород, но с разными населенностями двух форм, потому что ядро дейтерия (дейтрон) является бозоном с ядерным спином, равным единице. [22] Есть шесть возможных ядерных спиновых волновых функций, которые являются орто- или симметричными по отношению к обмену двумя ядрами, и три являются пара- или антисимметричными. [22] Орто-состояния соответствуют четным вращательным уровням с симметричными вращательными функциями, так что полная волновая функция является симметричной, как требуется для обмена двумя бозонами, а пара-состояния соответствуют нечетным вращательным уровням. [22] Основное состояние ( J = 0), заселенное при низкой температуре, является орто, а при стандартной температуре соотношение орто: пара составляет 2: 1. [22]
Другие вещества со спиновыми изомерами [ править ]
Другие молекулы и функциональные группы, содержащие два атома водорода, такие как вода и метилен , также имеют орто- и пара-формы (например, орто-вода и пара-вода), но это не имеет большого значения для их тепловых свойств. [23] Их соотношение орто: пара отличается от отношения дигидрогена.
Молекулярный кислород ( O
2) также существует в трех триплетных состояниях с более низкой энергией и в одном синглетном состоянии, как парамагнитный триплетный кислород в основном состоянии и активированный высокореактивный диамагнитный синглетный кислород . Эти состояния возникают из-за спинов их неспаренных электронов , а не их протонов или ядер.
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e П. Аткинс и Дж. де Паула, Физическая химия Аткинса , 8-е издание (WHFreeman 2006), стр. 451–2 ISBN 0-7167-8759-8
- ^ Мэтьюз, MJ; Petitpas, G .; Асевес, С.М. (2011). «Исследование кинетики конверсии спиновых изомеров в сверхкритическом жидком водороде для технологий хранения криогенного топлива». Прил. Phys. Lett . 99 (8): 081906. Bibcode : 2011ApPhL..99h1906M . DOI : 10.1063 / 1.3628453 .
- ^ Мацумото, Мицуру; Эспенсон, Джеймс Х. (2005). «Кинетика взаимного превращения параводорода и ортоводорода, катализируемого парамагнитными комплексными ионами». Журнал Американского химического общества . 127 (32): 11447–11453. DOI : 10.1021 / ja0524292 . ISSN 0002-7863 . PMID 16089474 .
- ^ a b Аруланда, Кристи; Старовойтова, Лариса; Кане, Даниэль (2007). «Продольная ядерная спиновая релаксация орто- и пара-водорода, растворенного в органических растворителях». Журнал физической химии . 111 (42): 10615–10624. Bibcode : 2007JPCA..11110615A . DOI : 10.1021 / jp073162r . ISSN 1089-5639 . PMID 17914761 .
- ^ a b «Die Entdeckung des para-Wasserstoffs (Открытие пара-водорода)» . Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie (на немецком языке) . Дата обращения 9 ноября 2020 .
- ^ Ривз, Роберт Б .; Хартек, Пол (1979). «Орто и параводород в межзвездном веществе» . Zeitschrift für Naturforschung . 34а : 163–166 . Дата обращения 9 ноября 2020 .
В этом источнике указано 0,34 ккал / моль (= 1,4 кДж / моль).
- ^ Рок, Питер А., Химическая термодинамика; принципы и приложения (Macmillan 1969) Таблица стр. 478 показывает (N o / N p ) H 2 = 0,002 при 20 K ISBN 1-891389-32-7
- Перейти ↑ FT Wall (1974). Химическая термодинамика , 3-е издание. WH Freeman and Company
- ^ "Теплофизические свойства жидкостных систем" . Webbook.nist.gov . Проверено 14 мая 2015 .
- ^ Миленко, Ю. Я .; Сибилева, РМ; Стржемечный, МА (1997-04-01). «Скорость естественной орто-пара конверсии в жидком и газообразном водороде» . Журнал физики низких температур . 107 (1): 77–92. DOI : 10.1007 / BF02396837 . ISSN 1573-7357 .
- ^ Миленко, Ю. Я .; Сибилева, РМ; Стржемечный, МА (1997-04-01). «Скорость естественной орто-пара конверсии в жидком и газообразном водороде» . Журнал физики низких температур . 107 (1): 77–92. DOI : 10.1007 / BF02396837 . ISSN 1573-7357 .
- ↑ A. Eucken, "Die Molekularwärme des Wasserstoffs bei tiefen Temperaturen". Königlich Preußische Akademie der Wissenschaften (Берлин). Sitzungsberichte (1912): S. 141–151.
- ^ Майкл Поланьи и его поколение: истоки социального построения науки Мэри Джо Най, University of Chicago Press (2011) стр. 119 ISBN 0-226-61065-9
- ^ Вернер Гейзенберг - Факты Nobelprize.org
- ^ "Элли Шваб-Агаллидис" . Лаборатория физической химии (на греческом языке). Афинский университет, химический факультет . Проверено 11 апр 2021 .
- ^ https://web.archive.org/web/20120831182954/http://www.stormingmedia.us/72/7208/A720893.html
- ^ Бауэрс, CR; Weitekamp, Д.П. (1986). «Преобразование порядка симметризации в намагниченность ядерного спина путем химической реакции и ядерного магнитного резонанса» (PDF) . Письма с физическим обзором . 57 (21): 2645–2648. Bibcode : 1986PhRvL..57.2645B . DOI : 10.1103 / physrevlett.57.2645 . PMID 10033824 .
- ^ Дакетт, SB; Мьюис (2013). Повышение чувствительности ЯМР и МРТ с помощью параводорода . Вершина. Curr. Chem . Темы современной химии. 338 . С. 75–103. DOI : 10.1007 / 128_2012_388 . ISBN 978-3-642-39727-1. PMID 23138689 .
- ^ Адамс, RW; Агилар, JA; Аткинсон, KD; Коули, MJ; Эллиотт, ИП; Дакетт, SB; Зеленый, GG; Хазал, И.Г .; Лопес-Серрано, Дж; Уильямсон, округ Колумбия (2009). «Обратимые взаимодействия с параводородом увеличивают чувствительность ЯМР за счет передачи поляризации» (PDF) . Наука . 323 (5922): 1708–11. Bibcode : 2009Sci ... 323.1708A . DOI : 10.1126 / science.1168877 . PMID 19325111 .
- ^ Eshuis, Nan; Асперс, Рууд LEG; ван Верденбург, Брэм Дж. А.; Feiters, Martin C .; Rutjes, Floris PJT; Wijmenga, Sybren S .; Тессари, Марко (2016). «Определение дальнодействующих скалярных констант связи 1 H– 1 H, ответственных за передачу поляризации в SABRE». Журнал магнитного резонанса . 265 : 59–66. Bibcode : 2016JMagR.265 ... 59E . DOI : 10.1016 / j.jmr.2016.01.012 . ISSN 1090-7807 . PMID 26859865 .
- ^ Яли, Виссам; Райнер, Питер Дж .; Дакетт, Саймон Б. (2018). «Использование параводорода для гиперполяризации аминов, амидов, карбоновых кислот, спиртов, фосфатов и карбонатов» . Наука продвигается . 4 (1): eaao6250. Bibcode : 2018SciA .... 4O6250I . DOI : 10.1126 / sciadv.aao6250 . ISSN 2375-2548 . PMC 5756661 . PMID 29326984 .
- ^ a b c d Холлас, Дж. Майкл (1996). Современная спектроскопия (3-е изд.). Джон Вили и сыновья. п. 115. ISBN 0-471-96523-5.
- ^ Шиницкий, Меир; Элицур, Авшалом С. (2006). «Орто-пара-спиновые изомеры протонов метиленовой группы». Хиральность . 18 (9): 754–756. DOI : 10.1002 / chir.20319 . PMID 16856167 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Алин Леон, Эд. 2008, Hydrogen Technology: Mobile and Portable Applications, pp. 93–101, New York, NY: Springer Science & Business, ISBN 3-540-69925-2 , см. [1] , по состоянию на 10 мая 2015 г.
- Тихонов В.И., Волков А.А. (2002). «Разделение воды на орто- и пара-изомеры» . Наука . 296 (5577): 2363. DOI : 10.1126 / science.1069513 . PMID 12089435 .
- Марио Э. Фахардо; Саймон Тэм (1997). Быстрое осаждение из паровой фазы оптически прозрачных твердых образцов параводорода толщиной в миллиметры для спектроскопии матричной изоляции . База Эдвардса (Западное управление движения): Исследовательская лаборатория ВВС США.CS1 maint: multiple names: authors list (link)[ требуется страница ]
- Bowers, CR; Weitekamp, Д.П. (1986). «Преобразование порядка симметризации в намагниченность ядерного спина путем химической реакции и ядерного магнитного резонанса» (PDF) . Phys. Rev. Lett . 57 (21): 2645–2648. Bibcode : 1986PhRvL..57.2645B . DOI : 10.1103 / physrevlett.57.2645 . PMID 10033824 .
- А. Фаркаш (1935). Ортоводород, параводород и тяжелый водород . Кембриджская серия по физической химии. Кембридж, Великобритания: КУБОК .[ требуется страница ]
- Бонхёффер К.Ф. , Хартек П. (1929). «Пара- и орто-водород». Zeitschrift für Chemie Physikalische Б . 4 (1–2): 113–141.
- Oxford Instruments, дата неизвестна, «Повышение чувствительности ЯМР-спектроскопии с использованием параводорода»