Двухатомная молекула

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 кислород ( O ₂ ), то его называют гомоядерным . В противном случае, если двухатомная молекула состоит из двух разных атомов, например оксида углерода ( CO ) или оксид азота ( NO ), молекулу называют гетероядерной . Связь в гомоядерной двухатомной молекуле неполярна .

Единственными химическими элементами , которые образуют стабильные гомоядерные двухатомные молекулы при стандартной температуре и давлении (СТП) (или в типичных лабораторных условиях 1 бар и 25 °C), являются газы водород ( H ₂ ), азот ( N ₂ ), кислород ( О ₂ ), фтор ( F ₂ ) и хлор ( Cl ₂ ) и жидкий бром ( Бр2 ₎ . ^[1]

гелий Благородные газы ( криптон , неон , аргон , радон , ксенон и ) 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 брома ( Бр 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 виды повторно полимеризуются при охлаждении. Нагревание («крекинг») элементарного фосфора дает дифосфор ( П ₂ ). Пары серы в основном состоят из дисеры ( С ₂ ). Дилитий ( Li ₂ ) и динатрий ( На2 ) ^[4] известны в газовой фазе. Ди вольфрам ( W ₂ ) и димолибден ( Мо ₂ ) образуется с шестикратными связями в газовой фазе. Дирубидий ( Rb ₂ ) является двухатомным.

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).

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

возникновение

Были идентифицированы сотни двухатомных молекул. ^[5] в 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 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]

Историческое значение

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 — HO, что дает атомный вес кислорода в восемь раз больше, чем у водорода. ^[7] вместо современного значения около 16. Как следствие, около полувека существовала путаница относительно атомного веса и молекулярных формул.

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 по большей части 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 известно как $X$ состояние. 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 интервалов 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 фотон . испускается Это излучение известно как флуоресценция . Последовательно высшие электронные состояния условно называются $A$ , $B$ , $C$ и т. д. (но это соглашение не всегда соблюдается, а 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.

В квантовой теории электронное состояние двухатомной молекулы обозначается символом молекулярного термина

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

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

Нижние и верхние индексы после $\Lambda$ дать дополнительные квантовомеханические подробности об электронном состоянии. Надстрочный индекс $+$ или $-$ определяет, приводит ли отражение в плоскости, содержащей межъядерную ось, к изменению знака волновой функции. Подскриптум $g$ или $u$ относится к молекулам одинаковых атомов, а при отражении состояния вдоль плоскости, перпендикулярной оси молекулы, обозначаются состояния, которые не изменяются $g$ (гераде) и утверждает, что знак смены обозначен $u$ (странный).

Состояние	Энергия ^[а] ( $T_{0}$ , см ⁻¹)
$X^{1}\Sigma _{g}^{+}$	0.0
$A^{3}\Sigma _{u}^{+}$	49754.8
$B^{3}\Pi _{g}$	59306.8
$W^{3}\Delta _{u}$	59380.2
$B'^{3}\Sigma _{u}^{-}$	65851.3
$a'^{1}\Sigma _{u}^{-}$	67739.3
$a^{1}\Pi _{g}$	68951.2
$w^{1}\Delta _{u}$	71698.4

^ Единицы «энергии» здесь на самом деле являются обратной величиной длины волны фотона, испускаемого при переходе в состояние с самой низкой энергией. Фактическую энергию можно найти, умножив данную статистику на произведение c (скорости света) и h (постоянной Планка); т. е. около 1,99 × 10 ⁻²⁵ Джоуль-метры, а затем умножить еще на 100 для перевода в см. ⁻¹ 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, № ₂ $A$ - $X$ Полосы излучения (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. $J$ . Они подразделяются на отдельные ветви поддиапазонов в зависимости от изменения $J$ . ^[11] $R$ ветка соответствует $\Delta J=+1$ , $P$ ответвление на $\Delta J=-1$ и $Q$ ответвление на $\Delta J=0$ . Полосы расширяются еще больше из-за ограниченного спектрального разрешения спектрометра , который используется для измерения спектра . прибора Спектральное разрешение зависит от функции рассеяния точки .

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, можно разделить на три категории: поступательная, вращательная и колебательная энергии. Теоретическое исследование вращательных уровней энергии двухатомных молекул можно описать, используя приведенное ниже описание вращательных уровней энергии. 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 учитывают множество вибрационных эффектов.

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

Трансляционные энергии

Поступательная энергия молекулы определяется выражением кинетической энергии :

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

где $m$ - масса молекулы и $v$ это его скорость.

Вращательные энергии

Классически кинетическая энергия вращения равна

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

где

L\,

угловой момент

I\,

это момент инерции молекулы

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

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

где

\ell

является неотрицательным целым числом и

\hbar

– приведенная постоянная Планка .

Кроме того, для двухатомной молекулы момент инерции равен

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

где

\mu \,

– приведенная масса молекулы и

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 будут определяться выражением:

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 :

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

где

n

целое число

\hbar

– приведенная постоянная Планка и

\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 .

Чехлы для собак

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

Мнемоника

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

См. также

Ссылки

^ Хаммонд, ЧР (2012). «Раздел 4: Свойства элементов и неорганических соединений» (PDF) . Справочник по химии и физике . Архивировано (PDF) из оригинала 11 ноября 2011 года.
^ Эмсли, Дж. (1989). Элементы . Оксфорд: Кларендон Пресс. стр. 22–23. ISBN 9780198555681 .
^ 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 .
^ Лу, ЗВ; 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 .
^ 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 .
^ Браун, Кэтрин; Форд, Майк (2014). Химия стандартного уровня (2-е изд.). Прентис Холл. стр. 123–125. ISBN 9781447959069 .
^ Лэнгфорд, Купер Гарольд ; Биби, Ральф Алонзо (1 января 1995 г.). Развитие химических принципов . Курьерская корпорация. ISBN 9780486683591 .
^ Иде, Аарон Дж. (1961). «Конгресс в Карлсруэ: столетняя ретроспектива» . Журнал химического образования . 38 (2): 83–86. Бибкод : 1961ЖЧЭд..38...83И . дои : 10.1021/ed038p83 . Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года . Проверено 24 августа 2007 г.
^ Jump up to: ^а ^б 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.
^ 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.
^ Левин, Ира Н. (1975), Молекулярная спектроскопия , John Wiley & Sons, стр. 508–9, ISBN 0-471-53128-6
^ 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 .
^ Аль-Раи, Марван (2022). «Удельный объем связи по потенциалу 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 .
^ Менсинг, Люси (1 ноября 1926 г.). «Полосы вращательных колебаний согласно квантовой механике». Журнал физики (на немецком языке). 36 (11): 814–823. Бибкод : 1926ZPhy...36..814M . дои : 10.1007/BF01400216 . ISSN 0044-3328 . S2CID 123240532 .
^ «Мнемоника BrINClHOF (произносится как Brinklehoff) в химии» . Проверено 1 июня 2019 г.
^ 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: Vol. 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

[11] Единицы «энергии» здесь на самом деле являются обратной величиной длины волны фотона, испускаемого при переходе в состояние с самой низкой энергией. Фактическую энергию можно найти, умножив данную статистику на произведение c (скорости света) и h (постоянной Планка); т. е. около 1,99 × 10 ⁻²⁵ Джоуль-метры, а затем умножить еще на 100 для перевода в см. ⁻¹ м ⁻¹.

[1] Хаммонд, ЧР (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 .

[Chemistry-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, ЗВ; 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 : 1961ЖЧЭд..38...83И . дои : 10.1021/ed038p83 . Архивировано из оригинала 28 сентября 2007 года . Проверено 24 августа 2007 г.

[gilmore1992-9] Jump up to: ^а ^б 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.

[laher1991-10] 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.

[levine1975-12] Левин, Ира Н. (1975), Молекулярная спектроскопия , John Wiley & Sons, стр. 508–9, ISBN 0-471-53128-6

[Swati-13] 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 .

[Al-Raeei-14] Аль-Раи, Марван (2022). «Удельный объем связи по потенциалу 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 .

[15] Менсинг, Люси (1 ноября 1926 г.). «Полосы вращательных колебаний согласно квантовой механике». Журнал физики (на немецком языке). 36 (11): 814–823. Бибкод : 1926ZPhy...36..814M . дои : 10.1007/BF01400216 . ISSN 0044-3328 . S2CID 123240532 .

[16] «Мнемоника BrINClHOF (произносится как Brinklehoff) в химии» . Проверено 1 июня 2019 г.

[sherman-17] Шерман, Алан (1992). Химия и наш меняющийся мир . Прентис Холл. п. 82. ИСБН 9780131315419 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[а]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

v т и Молекулярная геометрия
Теория ВСЕПР Координационный номер
Координационный номер 2	Линейный Бент
Координационный номер 3	Тригональная плоская Трехугольная пирамидальная Т-образный
Координационный номер 4	Тетраэдрический качели Квадратный плоский
Координационный номер 5	Треугольная бипирамида Квадратно-пирамидальный Пятиугольная плоская
Координационный номер 6	Октаэдрический Треугольный призматический Пятиугольная пирамидальная
Координационный номер 7	Пятиугольная бипирамида Закрытый октаэдр Треугольно-призматический с крышкой
Координационный номер 8	Квадратный антипризматический Додекаэдрический Двуглавая треугольная призматика
Координационный номер 9	Треугольная треугольная призматика Квадратный антипризматический с крышкой
Категория

v т и Двухатомные химические элементы
Общий	Ч ₂ № ₂ Около ₂ F_Ф2 кл ₂ Br_Бр2 я ₂
Другой	Он ₂ Ар ₂ С ₂ П ₂ S_S2 Ли ₂ руб. ₂