Трехатомный водород - Википедия - Triatomic hydrogen

Трехатомный водород или же ЧАС3 нестабильный трехатомная молекула содержащий только водород. Поскольку эта молекула содержит только три атома водорода, это простейшая трехатомная молекула.[1] и относительно просто решить квантово-механическое описание частиц численно. Поскольку молекула нестабильна, она распадается менее чем за миллионную долю секунды. Его мимолетное время жизни делает его редким, но он довольно часто образуется и разрушается во Вселенной благодаря общности трехводородный катион. Инфракрасный спектр H3 из-за вибрации и вращения очень похож на ион, ЧАС+
3. В ранней Вселенной эта способность излучать инфракрасный свет позволяла первичному газу водороду и гелию остыть и образовывать звезды.

Формирование

Нейтральная молекула может образовываться в газе низкого давления. разрядная трубка.[2]

Нейтральный луч H3 может быть сформирован из балки H3+ ионы, проходящие через газообразный калий, который отдает электрон иону, образуя K+.[3] Другие газообразные щелочные металлы, такие как цезий, также можно использовать для передачи электронов.[4] ЧАС3+ ионы могут быть получены в дуоплазматрон где электрический разряд проходил через молекулярный водород низкого давления. Это вызывает некоторые H2 стать H2+. Тогда H2 + H2+ → ЧАС3+ + H. Реакция является экзотермической с энергией 1,7 эВ, поэтому образующиеся ионы горячие с большой колебательной энергией. Они могут остыть при столкновении с более холодным газом, если давление достаточно высокое. Это важно, потому что сильно колеблющиеся ионы производят сильно колеблющиеся нейтральные молекулы при нейтрализации в соответствии с Принцип Франка – Кондона.[3]

Расставаться

ЧАС3 могут распасться следующими способами:

[5]

Характеристики

Молекула может существовать только в возбужденном состоянии. Различные возбужденные электронные состояния представлены символами для внешнего электрона nLΓ, где n - главное квантовое число, L - электронный угловой момент, а Γ - электронная симметрия, выбранная из D3ч группа. Могут быть добавлены дополнительные символы в квадратных скобках, показывающие вибрацию в сердечнике: {s, dл} где s представляет симметричное растяжение, d вырожденную моду и l колебательный угловой момент. Еще один термин может быть вставлен для обозначения молекулярного вращения: (N, G) с N угловым моментом, кроме электронов, проецируемых на молекулярную ось, и G - удобное квантовое число Хугена, определяемое как G = l + λ-K. Часто это (1,0), так как вращательные состояния ограничены составляющими частицами, которые все являются фермионы. Примеры этих состояний:[5] 2sA1'3sA1'2pA2"3dE '3DE" 3dA1'3pE' 3pA2". 2p2А2"состояние имеет время жизни 700 нс. Если молекула пытается потерять энергию и перейти в отталкивающее основное состояние, он самопроизвольно распадается. Метастабильное состояние с наименьшей энергией, 2sA1'имеет энергию -3,777 эВ ниже H3+ и е− состояние, но распадается примерно через 1пс.[5] Нестабильное основное состояние обозначено 2p2E 'спонтанно распадается на H2 молекула и атом Н.[1] Безвращательные состояния имеют более продолжительное время жизни, чем вращающиеся молекулы.[1]

Электронное состояние для трехводородный катион с делокализованным вокруг него электроном является Состояние Ридберга.[6]

Внешний электрон может быть повышен до высокого ридберговского состояния и может ионизироваться, если энергия достигает 29562,6 см.−1 выше 2pA2"состояние, и в этом случае H3+ формы.[7]

Форма

Предполагается, что форма молекулы будет равносторонний треугольник.[1] Вибрации могут происходить в молекуле двумя способами: во-первых, молекула может расширяться и сжиматься, сохраняя форму равностороннего треугольника (дыхание), или один атом может двигаться относительно других, искажая треугольник (изгиб). Изгибающая вибрация имеет дипольный момент и, таким образом, взаимодействует с инфракрасным излучением.[1]

Спектр

Герхард Херцберг первым обнаружил спектроскопические линии нейтрального H3 когда ему было 75 лет в 1979 году. Позже он заявил, что это наблюдение было одним из его любимых открытий.[8] Линии исходили от катодной разрядной трубки.[8] Причина, по которой ранее наблюдатели не могли видеть H3 спектральных линий, было связано с тем, что они были поглощены спектром гораздо более многочисленного H2. Важным достижением было выделение H3 так что это можно было наблюдать в одиночку. Разделение использует масс-спектроскопическое разделение положительных ионов, так что H3 массой 3 можно отделить от H2 массой 2. Тем не менее, некоторые загрязнения от HD, который также имеет массу 3.[3]Спектр H3 в основном связано с переходами в более долгоживущее состояние 2p2А2". Спектр может быть измерен с помощью двухступенчатого метода фотоионизации.[1]

Переходы к нижним 2с2А1на состояние влияет его очень короткое время жизни в том, что называется предиссоциация. Соответствующие спектральные линии уширены.[3] В спектре есть полосы из-за вращения с P Q и R ветвями. Ветвь R очень слабая в H3 изотопомер но сильный с D3 (тридейтерий).[3]

нижнее состояниеверхнее электронное состояниедыхательная вибрацияизгибная вибрацияугловой моментG = λ + l2-Kволновое число см−1[1]длина волны Åчастота ТГцэнергия эВ
2p2А2"3 с2А1'00166955990500.52.069
3D2А "00172975781518.62.1446
3D2А1'00177425636531.92.1997
3p2E '11185215399555.22.2963
3p2А2"01194515141.1583.12.4116
3D2E '01195425117585.852.4229
3 с2А1'10199075023.39596.82.46818
3p2E '03199945001.58599.482.47898
3D2E "10204654886.4613.5242.5373
2 с2А1'3p2E '140847100422.21.746
3p2А2"группа1785756005352.2
3p2А2"Q филиалвсе наложеногруппа1778756225332.205

Симметричная мода колебаний растяжения имеет волновое число 3213,1 см.−1 для 3-х2А1'уровень и 3168 см−1 для 3d2E "и 3254 см−1 для 2p2А2".[1] Частоты деформационных колебаний также весьма близки к таковым для H3+.[1]

Уровни

электронное состояниеПримечаниеволновое число см−1[1]частота ТГцэнергия эВжизнь нс
3D2А1'18511554.952.295112.9
3D2E "18409551.892.282411.9
3D2E '18037540.732.23639.4
3p2А2"17789533.302.205541.3 4.1
3 с2А1'17600527.6382.182158.1
3p2E '13961418.541.730922.6
2p2А2"самая долгая жизнь99329.760.1231169700
2p2А2"предиссоциация00021.8
2p2E 'диссоциация−16674−499.87−2.06730

Катион

Связанные ЧАС3+ ион является наиболее распространенным молекулярным ионом в межзвездном пространстве. Считается, что он сыграл решающую роль в охлаждении ранних звезд в истории Вселенной благодаря своей способности легко поглощать и излучать фотоны.[9] Одна из важнейших химических реакций в межзвездном пространстве - H3+ + е− → ЧАС3 а потом → ЧАС2 + H.[6]

Расчеты

Поскольку молекула относительно проста, исследователи попытались вычислить свойства молекулы ab-initio из квантовой теории. В Уравнения Хартри – Фока был использован.[10]

Естественное явление

Трехатомный водород образуется при нейтрализации H3+. Этот ион будет нейтрализован в присутствии других газов, кроме He или H.2, поскольку он может абстрагировать электрон. Таким образом, H3 формируется в полярных сияниях в ионосфере Юпитера и Сатурна.[11]

История

Модель трехатомного водорода Старка 1913 года

Дж. Дж. Томсон наблюдается H3+ во время экспериментов с положительные лучи. Он считал, что это была ионизированная форма H3 примерно с 1911 г. Он считал, что H3 был стабильной молекулой, писал об этом и читал лекции. Он заявил, что самый простой способ сделать это - нацелить гидроксид калия катодными лучами.[8] В 1913 г. Йоханнес Старк предположил, что три ядра водорода и электрон могут образовывать стабильную форму кольца. В 1919 г. Нильс Бор предложил структуру с тремя ядрами, расположенными по прямой линии, с тремя электронами, вращающимися по кругу вокруг центрального ядра. Он считал, что H3+ будет нестабильно, но что реагирующий H2− с H+ может дать нейтральный H3. Стэнли Аллен Структура России имела форму шестиугольника с чередованием электронов и ядер.[8]

В 1916 г. Артур Демпстер показал, что H3 газ был нестабильным, но в то же время также подтвердил существование катиона. В 1917 г. Джеральд Вендт и Уильям Дуэйн обнаружил, что водородный газ подвергается альфа-частицы уменьшился в объеме и подумал, что двухатомный водород превратился в трехатомный.[8] После этого исследователи подумали, что активный водород может быть трехатомной формой.[8] Жозеф Левин зашел так далеко, что постулировал, что системы низкого давления на Земле возникли из-за трехатомного водорода высоко в атмосфере.[8]В 1920 году Вендт и Ландауэр назвали вещество «Хайзон» по аналогии с озон и его дополнительная реакционная способность по сравнению с обычным водородом.[12] Ранее Готфрид Вильгельм Осанн считал, что он открыл форму водорода, аналогичную озону, которую он назвал «Озонвассерстофф». Это было сделано электролизом разбавленной серной кислоты. В те дни никто не знал, что озон трехатомный, поэтому он не объявлял трехатомный водород.[13] Позже было показано, что это смесь с диоксидом серы, а не новая форма водорода.[12]

В 1930-х годах было обнаружено, что активный водород представляет собой водород с сероводород загрязнение, и ученые перестали верить в трехатомный водород.[8] Квантово-механические расчеты показали, что нейтральный H3 был нестабилен, но ионизированный H3+ могло существовать.[8] Когда появилась концепция изотопов, такие люди, как Бор, подумали, что может существовать эка-водород с атомным весом 3. Позднее эта идея была подтверждена существованием тритий, но это не объясняло, почему молекулярная масса 3 наблюдалась в масс-спектрометрах.[8] Дж. Дж. Томсон позже считал, что наблюдаемая им молекула с молекулярной массой 3 была Дейтерид водорода.[13] в Туманность Ориона наблюдались линии, приписываемые туманность который мог быть новым элементом эка-водородом, особенно когда его атомный вес был рассчитан как около 3. Позже было показано, что это ионизированный азот и кислород.[8]

Герхард Херцберг был первым, кто действительно наблюдал спектр нейтральных H3, и эта трехатомная молекула была первой, у которой был измерен ридберговский спектр, когда ее собственное основное состояние было нестабильным.[1]

Смотрите также

  • Ф. М. Девьен, одним из первых исследовавших энергетические свойства трехатомного водорода

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k Lembo, L.J .; Х. Хельм; Д. Л. Хуэстис (1989). «Измерение частот колебаний молекулы H3 с помощью двухступенчатой ​​фотоионизации». Журнал химической физики. 90 (10): 5299. Bibcode:1989ЖЧФ..90.5299Л. Дои:10.1063/1.456434. ISSN  0021-9606.
  2. ^ Binder, J.L .; Filby, E.A .; Грабб, A.C. (1930). «Трехатомный водород». Природа. 126 (3166): 11–12. Bibcode:1930Натура.126 ... 11Б. Дои:10.1038 / 126011c0.
  3. ^ а б c d е Figger, H .; В. Кеттерле; Х. Вальтер (1989). «Спектроскопия трехатомного водорода». Zeitschrift für Physik D. 13 (2): 129–137. Bibcode:1989ZPhyD..13..129F. Дои:10.1007 / bf01398582. ISSN  0178-7683.
  4. ^ Лаперле, Кристофер М; Дженнифер Э. Манн; Тодд Дж. Клементс; Роберт Э. Континетти (2005). «Экспериментальное исследование трехчастичной динамики предиссоциации низколежащих ридберговских состояний H3 и D3». Journal of Physics: Серия конференций. 4 (1): 111–117. Bibcode:2005JPhCS ... 4..111л. Дои:10.1088/1742-6596/4/1/015. ISSN  1742-6588.
  5. ^ а б c Хельм Х. и др .:Связанных состояний к состояниям континуума в нейтральном трехатомном водороде. в: Диссоциативная рекомбинация, изд. С. Губерман, Kluwer Academic, Plenum Publishers, США, 275-288 (2003). ISBN  0-306-47765-3
  6. ^ а б Таширо, Мотомити; Сигеки Като (2002). «Квантовая динамика исследования предиссоциации H [sub 3] Ридберг заявляет: важность косвенного механизма». Журнал химической физики. 117 (5): 2053. Bibcode:2002ЖЧФ.117.2053Т. Дои:10.1063/1.1490918. HDL:2433/50519. ISSN  0021-9606.
  7. ^ Хельм, Ханспетер (1988). «Измерение потенциала ионизации трехатомного водорода». Физический обзор A. 38 (7): 3425–3429. Bibcode:1988ПхРвА..38.3425Н. Дои:10.1103 / PhysRevA.38.3425. ISSN  0556-2791. PMID  9900777.
  8. ^ а б c d е ж грамм час я j k Краг, Хельге (2010). «Детство H3 и H3 +». Астрономия и геофизика. 51 (6): 6.25–6.27. Bibcode:2010 A&G .... 51f..25K. Дои:10.1111 / j.1468-4004.2010.51625.x. ISSN  1366-8781.
  9. ^ Шелли Литтин (11 апреля 2012 г.). "H3 +: молекула, которая создала Вселенную". Получено 23 июля 2013.
  10. ^ Defranceschi, M .; М. Суард; Г. Бертье (1984). «Численное решение уравнений Хартри-Фока для многоатомной молекулы: линейная H3 в импульсном пространстве». Международный журнал квантовой химии. 25 (5): 863–867. Дои:10.1002 / qua.560250508. ISSN  0020-7608.
  11. ^ Кейлинг, Андреас; Донован, Эрик; Багенал, Фран; Карлссон, Томас (09.05.2013). Феноменология полярных сияний и магнитосферные процессы: Земля и другие планеты. Джон Вили и сыновья. п. 376. ISBN  978-1-118-67153-5. Получено 18 января 2014.
  12. ^ а б Wendt, Gerald L .; Ландауэр, Роберт С. (1920). «Трехатомный водород». Журнал Американского химического общества. 42 (5): 930–946. Дои:10.1021 / ja01450a009.
  13. ^ а б Краг, Хельге (2011). «Спорная молекула: ранняя история трехатомного водорода». Центавр. 53 (4): 257–279. Дои:10.1111 / j.1600-0498.2011.00237.x. ISSN  0008-8994.

внешняя ссылка