Двухатомная молекула - Diatomic molecule

А модель, заполняющая пространство двухатомной молекулы диазота, N₂

Двухатомные молекулы находятся молекулы состоит всего из двух атомы, одинаковых или разных химические элементы. Префикс ди- имеет греческое происхождение, что означает «два». Если двухатомная молекула состоит из двух атомов одного и того же элемента, например, водород (ЧАС₂) или же кислород (O₂), то говорят, что гомоядерный. В противном случае, если двухатомная молекула состоит из двух разных атомов, таких как монооксид углерода (CO) или оксид азота (НЕТ) молекула называется гетероядерный. Связь в гомоядерной двухатомной молекуле неполярна.

А периодическая таблица показывая элементы, которые существуют как гомоядерный двухатомные молекулы в типичных лабораторных условиях.

Единственный химические элементы которые образуют стабильные гомоядерные двухатомные молекулы на стандартная температура и давление (STP) (или типичные лабораторные условия 1 бар и 25 ° C) являются газы водород (ЧАС₂), азот (N₂), кислород (O₂), фтор (F₂), и хлор (Cl₂).^[1]

В благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, и радон ) также являются газами на СТП, но они одноатомный. Гомоядерные двухатомные газы и благородные газы вместе называются «элементарными газами» или «молекулярными газами», чтобы отличать их от других газов, которые являются химические соединения.^[2]

При немного повышенных температурах галогены бром (Br₂) и йод (Я₂) также образуют двухатомные газы.^[3] Все галогены наблюдались как двухатомные молекулы, за исключением астатин и Tennessine, которые не определены.

Другие элементы образуют двухатомные молекулы при испарении, но эти двухатомные частицы реполимеризуются при охлаждении. Нагрев («растрескивание») элементарного фосфора дает дифосфор, П₂. Пары серы в основном дисера (S₂). Дилитий (Ли₂) и динатрий (Na₂)^[4] известны в газовой фазе. Дитольфрам (Вт₂) и димолибден (Mo₂) форма с шестикратные облигации в газовой фазе. Дирубидий (Rb₂) двухатомный.

Гетероядерные молекулы

Все остальные двухатомные молекулы химические соединения из двух разных элементов. Многие элементы могут объединяться в гетероядерный двухатомные молекулы в зависимости от температуры и давления.

Примеры - газы монооксид углерода (CO), оксид азота (НЕТ) и хлористый водород (HCl).

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

Вхождение

Были идентифицированы сотни двухатомных молекул^[5] в окружающей среде Земли, в лаборатории и в межзвездное пространство. Около 99% Атмосфера Земли состоит из двух видов двухатомных молекул: азота (78%) и кислорода (21%). Естественное изобилие водород (H₂) в атмосфере Земли составляет всего 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, которым является длина облигации 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

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. Джон Далтон Первоначальная атомная гипотеза 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 около 16. Как следствие, около полувека существовала путаница в отношении атомных весов и молекулярных формул.

Еще в 1805 г. Гей-Люссак и фон Гумбольдт показал, что вода состоит из двух объемов водорода и одного объема кислорода, а к 1811 г. Амедео Авогадро пришли к правильной интерпретации состава воды, основанной на том, что сейчас называется Закон Авогадро и предположение о двухатомных элементарных молекулах. Однако до 1860 г. эти результаты в основном игнорировались, отчасти из-за веры в то, что атомы одного элемента не имеют химическое сродство по отношению к атомам одного и того же элемента, а также частично из-за очевидных исключений из закона Авогадро, которые только позже были объяснены в терминах диссоциации молекул.

В 1860 году Карлсруэ Конгресс по атомным весам, 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 периодический закон к Дмитрий Менделеев и Лотар Мейер.^[8]

Возбужденные электронные состояния

Двухатомные молекулы обычно находятся в самом низком или основном состоянии, которое обычно также называют ${\displaystyle X}$ государственный. Когда газ из двухатомных молекул бомбардируется энергичными электронами, некоторые молекулы могут быть возбуждены до более высоких электронных состояний, как это происходит, например, в естественном полярном сиянии; ядерные взрывы на большой высоте; и эксперименты с ракетной электронной пушкой.^[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 периодов времени после возбуждения (обычно доли секунды, а иногда и дольше секунды, если возбужденное состояние метастабильный ) переходы происходят из более высоких электронных состояний в более низкие и, в конечном итоге, в основное состояние, и в каждом переходе возникает фотон испускается. Это излучение известно как флуоресценция. Последовательно более высокие электронные состояния принято называть ${\displaystyle A}$, ${\displaystyle B}$, ${\displaystyle C}$и т. д. (но это соглашение не всегда соблюдается, и иногда используются строчные буквы и буквы в алфавитном порядке, не расположенные по порядку, как в примере, приведенном ниже). Энергия возбуждения должна быть больше или равна энергии электронного состояния, чтобы возбуждение произошло.

В квантовой теории электронное состояние двухатомной молекулы представлено символ молекулярного термина

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

куда ${\displaystyle S}$ - полное квантовое число электронного спина, ${\displaystyle \Lambda }$ - квантовое число полного электронного углового момента вдоль межъядерной оси, а ${\displaystyle v}$ - колебательное квантовое число. ${\displaystyle \Lambda }$ принимает значения 0, 1, 2, ..., которые представлены электронными символами состояния ${\displaystyle \Sigma }$, ${\displaystyle \Pi }$, ${\displaystyle \Delta }$, .... Например, в следующей таблице перечислены общие электронные состояния (без колебательных квантовых чисел) вместе с энергией самого нижнего колебательного уровня (${\displaystyle v=0}$) двухатомного азота (N₂), самый распространенный газ в атмосфере Земли.^[10] В таблице нижние и верхние индексы после ${\displaystyle \Lambda }$ дать дополнительные квантово-механические детали об электронном состоянии.

Состояние	Энергия[а] (${\displaystyle T_{0}}$, см^−1)
${\displaystyle X^{1}\Sigma _{g}^{+}}$	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

1. Единицы "энергии" здесь на самом деле являются обратной величиной длины волны фотона, испускаемого при переходе в состояние с наименьшей энергией. Фактическая энергия может быть найдена путем умножения данной статистики на произведение c (скорость света) и час (Постоянная Планка); т.е. примерно 1,99 × 10⁻²⁵ Джоуль-метры, а затем умножение на 100, чтобы преобразовать из см⁻¹ к м⁻¹.

Вышеупомянутое флуоресценция встречается в разных регионах электромагнитный спектр, называется "полосы излучения ": каждая полоса соответствует определенному переходу от более высокого электронного состояния и колебательного уровня к более низкому электронному состоянию и колебательному уровню (обычно в возбужденном газе, состоящем из двухатомных молекул, задействовано множество колебательных уровней). Например, N₂ ${\displaystyle A}$-${\displaystyle X}$ полосы излучения (также известные как полосы Вегарда-Каплана) присутствуют в спектральном диапазоне от 0,14 до 1,45 мкм (микрометров).^[9] Данная полоса может быть распределена на несколько нанометров в электромагнитном пространстве длин волн из-за различных переходов, которые происходят во вращательном квантовом числе молекулы, ${\displaystyle J}$. Они подразделяются на отдельные ветви поддиапазонов, в зависимости от изменения в ${\displaystyle J}$.^[11] В ${\displaystyle R}$ ветвь соответствует ${\displaystyle \Delta J=+1}$, то ${\displaystyle P}$ ветвь к ${\displaystyle \Delta J=-1}$, а ${\displaystyle Q}$ ветвь к ${\displaystyle \Delta J=0}$. Группы еще больше расширяются за счет ограниченного спектральное разрешение из спектрометр который используется для измерения спектр. Спектральное разрешение зависит от прибора. функция разброса точки.

Уровни энергии

В символ молекулярного термина сокращенное выражение угловых моментов, которые характеризуют электронные квантовые состояния двухатомной молекулы, которые также являются собственные состояния электронного молекулярного Гамильтониан. Также удобно и распространено представление двухатомной молекулы в виде двухточечных масс, соединенных безмассовой пружиной. Затем энергии, участвующие в различных движениях молекулы, можно разделить на три категории: поступательные, вращательные и колебательные энергии.

Трансляционные энергии

Поступательная энергия молекулы определяется выражением кинетическая энергия выражение:

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

куда ${\displaystyle m}$ - масса молекулы и ${\displaystyle v}$ это его скорость.

Вращательные энергии

Классически кинетическая энергия вращения равна

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

куда

${\displaystyle L\,}$ 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, заданные формулой

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

куда ${\displaystyle \ell }$ является целым неотрицательным числом и ${\displaystyle \hbar }$ это приведенная постоянная Планка.

Кроме того, для двухатомной молекулы момент инерции равен

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

куда

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

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

Итак, подставляя угловой момент и момент инерции в E_гнить, уровни вращательной энергии двухатомной молекулы определяются выражением:

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

Колебательные энергии

Другой тип движения двухатомной молекулы - это колебание каждого атома или вибрировать - вдоль линии, соединяющей два атома. Колебательная энергия примерно равна энергии вибрации. квантовый гармонический осциллятор:

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

куда

${\displaystyle n}$ это целое число

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

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

Сравнение интервалов вращательной и колебательной энергии

Расстояние и энергия типичного спектроскопического перехода между уровнями колебательной энергии примерно в 100 раз больше, чем у типичного перехода между уровнями энергии. вращательная энергия уровни.

Дела Хунда

Основная статья: Дела Хунда

В хорошие квантовые числа для двухатомной молекулы, а также хорошее приближение уровней вращательной энергии может быть получено путем моделирования молекулы с использованием Дела Хунда.

Мнемоника

Мнемоника BrINClHOF, произносится как "Бринклехоф",^[12] HONClBrIFпроизносится как "Хонкельбриф",^[13] и HOFBrINCl, произносится как «Hofbrinkle», были придуманы, чтобы помочь вспомнить список двухатомных элементов. Другой метод для англоговорящих - это предложение: "Никогда не бойтесь ледяного пива"как представление азота, водорода, фтора, кислорода, йода, хлора, брома.

Смотрите также

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

Рекомендации

1. Хаммонд, C.R. (2012). «Раздел 4: Свойства элементов и неорганических соединений» (PDF). Справочник по химии и физике.^{[постоянная мертвая ссылка ]}
2. Эмсли, Дж. (1989). Элементы. Оксфорд: Clarendon Press. С. 22–23.
3. Whitten, Kenneth W .; Дэвис, Раймонд Э .; Пек, М. Ларри; Стэнли, Джордж Г. (2010). Химия (9-е изд.). Брукс / Коул, Cengage Learning. С. 337–338. ISBN  9780495391630.
4. Lu, Z.W .; Wang, Q .; Он, W.M .; Ма, З.Г. (Июль 1996 г.). «Новые параметрические излучения в двухатомных молекулах натрия». Прикладная физика B. 63 (1): 43–46. Bibcode:1996АпФБ..63 ... 43л. Дои:10.1007 / BF01112836. S2CID  120378643.
5. Huber, K. P .; 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, Катрин; Форд, Майк (2014). Стандартный уровень химии (2-е изд.). Прентис Холл. С. 123–125. ISBN  9781447959069.
7. Лэнгфорд, Купер Гарольд; Биби, Ральф Алонзо (1 января 1995 г.). Развитие химических принципов. Курьерская корпорация. ISBN  9780486683591.
8. Идэ, Аарон Дж. (1961). «Конгресс Карлсруэ: ретроспектива столетия». Журнал химического образования. 38 (2): 83–86. Bibcode:1961JChEd..38 ... 83I. Дои:10.1021 / ed038p83. Архивировано из оригинал 28 сентября 2007 г.. Получено 24 августа 2007.
9. Гилмор, Форрест Р .; Laher, Russ R .; Эспи, Патрик Дж. (1992). «Факторы Франка-Кондона, r-центроиды, электронные переходные моменты и коэффициенты Эйнштейна для многих систем с зонами азота и кислорода». Журнал физических и химических справочных данных. 21 (5): 1005–1107. Bibcode:1992JPCRD..21.1005G. Дои:10.1063/1.555910.
10. Laher, Russ R .; Гилмор, Форрест Р. (1991). «Усовершенствованная подгонка для постоянных колебаний и вращения многих состояний азота и кислорода». Журнал физических и химических справочных данных. 20 (4): 685–712. Bibcode:1991JPCRD..20..685L. Дои:10.1063/1.555892.
11. Левин, Ира Н. (1975), Молекулярная спектроскопия, John Wiley & Sons, стр. 508–9, ISBN  0-471-53128-6
12. «Мнемонический BrINClHOF (произносится как Brinklehoff) в химии». Получено 1 июня 2019.
13. Шерман, Алан (1992). Химия и наш меняющийся мир. Прентис Холл. п. 82. ISBN  9780131315419.

дальнейшее чтение

• Huber, K. P .; 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.). В. Х. Фриман. ISBN  1-57259-491-8.

внешняя ссылка

• Гиперфизика - Вращательные спектры молекул жесткого ротора
• Гиперфизика - Квантовый гармонический осциллятор
• 3D Chem - Химия, структуры и трехмерные молекулы
• IUMSC - Центр молекулярной структуры Университета Индианы