El hidrógeno triatómico o H 3 es una molécula triatómica inestable que contiene solo hidrógeno . Dado que esta molécula contiene sólo tres átomos de hidrógeno, es la molécula triatómica más simple [1] y es relativamente sencillo resolver numéricamente la descripción de la mecánica cuántica de las partículas. Al ser inestable, la molécula se rompe en menos de una millonésima de segundo. Su fugaz vida lo hace raro, pero es bastante común que se forme y destruya en el universo gracias al carácter común del catión trihidrógeno . El espectro infrarrojo de H 3 debido a la vibración y la rotación es muy similar al del ion, H+
3. En el universo temprano, esta capacidad de emitir luz infrarroja permitió que el gas primordial de hidrógeno y helio se enfriara para formar estrellas.
La molécula neutra se puede formar en un tubo de descarga de gas a baja presión . [2]
Un haz neutro de H 3 se puede formar a partir de un haz de H+
3iones que pasan a través del potasio gaseoso , que dona un electrón al ion, formando K + . [3] También se pueden usar otros metales alcalinos gaseosos, como el cesio , para donar electrones. [4] H+
3Los iones se pueden producir en un duoplasmatron donde una descarga eléctrica pasa a través de hidrógeno molecular de baja presión. Esto hace que algo de H 2 se convierta en H+
2. Entonces H 2 + H+
2 → H+
3+ H. La reacción es exotérmica con una energía de 1,7 eV, por lo que los iones producidos son calientes con mucha energía vibratoria. Estos pueden enfriarse a través de colisiones con gas más frío si la presión es lo suficientemente alta. Esto es significativo porque los iones que vibran fuertemente producen moléculas neutras que vibran fuertemente cuando se neutralizan de acuerdo con el principio de Franck-Condon . [3]
El H 3 puede romperse de las siguientes formas:
La molécula solo puede existir en estado excitado. Los diferentes estados electrónicos excitados están representados por símbolos para el electrón externo nLΓ con n el número cuántico principal, L es el momento angular electrónico y Γ es la simetría electrónica seleccionada del grupo D 3h . Se pueden adjuntar símbolos adicionales entre corchetes que muestran la vibración en el núcleo: {s, d l } con s representando estiramiento simétrico, d modo degenerado y l momento angular vibratorio. Se puede insertar otro término para indicar la rotación molecular: (N, G) con N momento angular aparte de los electrones proyectados en el eje molecular, y G el número cuántico conveniente de Hougen determinado por G = l + λ-K. Esto es a menudo (1,0), ya que los estados de rotación están restringidos por las partículas constituyentes que son todos fermiones.. Ejemplos de estos estados son: [5] 2sA 1 '3sA 1 ' 2pA 2 "3dE '3DE" 3dA 1 ' 3pE '3pA 2 ". El estado 2p 2 A 2 " tiene una vida útil de 700 ns. Si la molécula intenta perder energía y pasar al estado fundamental repulsivo , se rompe espontáneamente. El estado metaestable de energía más baja, 2sA 1 'tiene una energía de -3.777 eV por debajo de la H+
3y e - estado pero decae en alrededor de 1 ps . [5] El estado fundamental inestable designado 2p 2 E' rompe espontáneamente en un H 2 molécula y un átomo de H. [1] Los estados sin rotación tienen una vida más larga que las moléculas en rotación. [1]
El estado electrónico de un catión trihidrógeno con un electrón deslocalizado a su alrededor es un estado de Rydberg . [6]
El electrón externo puede ser impulsado a un estado de Rydberg alto y puede ionizarse si la energía llega a 29562.6 cm −1 por encima del estado de 2pA 2 ", en cuyo caso H+
3formas. [7]
Se predice que la forma de la molécula será un triángulo equilátero . [1] Las vibraciones pueden ocurrir en la molécula de dos maneras, en primer lugar, la molécula puede expandirse y contraerse conservando la forma del triángulo equilátero (respiración), o un átomo puede moverse en relación con los otros distorsionando el triángulo (flexión). La vibración de flexión tiene un momento dipolar y, por lo tanto, se acopla a la radiación infrarroja. [1]
Gerhard Herzberg fue el primero en encontrar líneas espectroscópicas de H 3 neutro cuando tenía 75 años en 1979. Posteriormente anunció que esta observación era uno de sus descubrimientos favoritos. [8] Las líneas provienen de un tubo de descarga de cátodo. [8] La razón por la que los observadores anteriores no pudieron ver ninguna línea espectral de H 3 , se debió a que estaban inundadas por el espectro del H 2 mucho más abundante . El avance importante fue separar el H 3 para que pudiera observarse solo. La separación utiliza la separación por espectroscopía de masas de los iones positivos, de modo que el H 3 con masa 3 pueda separarse del H 2con masa 2. Sin embargo, todavía hay algo de contaminación de HD , que también tiene masa 3. [3] El espectro de H 3 se debe principalmente a las transiciones al estado de vida más larga de 2p 2 A 2 ". El espectro se puede medir mediante un método de fotoionización de dos pasos. [1]
Las transiciones que caen al estado inferior 2s 2 A 1 'se ven afectadas por su muy corta vida en lo que se llama predisociación . Las líneas espectrales involucradas se amplían. [3] En el espectro existen bandas por rotación con ramas PQ y R. La rama R es muy débil en isotopómero H 3 pero fuerte con D 3 (trideuterio). [3]
estado inferior | estado electrónico superior | vibración de respiración | flexión de vibración | momento angular | G = λ + l 2 -K | número de onda cm −1 [1] | longitud de onda Å | frecuencia THz | energía eV |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
2p 2 A 2 " | 3s 2 A 1 ' | 0 | 0 | 16695 | 5990 | 500,5 | 2.069 | ||
3d 2 A " | 0 | 0 | 17297 | 5781 | 518,6 | 2.1446 | |||
3d 2 A 1 ' | 0 | 0 | 17742 | 5636 | 531,9 | 2.1997 | |||
3p 2 E ' | 1 | 1 | 18521 | 5399 | 555,2 | 2.2963 | |||
3p 2 A 2 " | 0 | 1 | 19451 | 5141.1 | 583,1 | 2.4116 | |||
3d 2 E ' | 0 | 1 | 19542 | 5117 | 585,85 | 2.4229 | |||
3s 2 A 1 ' | 1 | 0 | 19907 | 5023.39 | 596,8 | 2.46818 | |||
3p 2 E ' | 0 | 3 | 19994 | 5001.58 | 599,48 | 2.47898 | |||
3d 2 E " | 1 | 0 | 20465 | 4886,4 | 613.524 | 2.5373 | |||
2s 2 A 1 ' | 3p 2 E ' | 14084 | 7100 | 422.2 | 1.746 | ||||
3p 2 A 2 " | banda | 17857 | 5600 | 535 | 2.2 | ||||
3p 2 A 2 "rama Q | todo superpuesto | banda | 17787 | 5622 | 533 | 2.205 |
El modo de vibración de estiramiento simétrico tiene un número de onda de 3213,1 cm −1 para el nivel 3s 2 A 1 'y 3168 cm −1 para 3d 2 E "y 3254 cm −1 para 2p 2 A 2 ". [1] Las frecuencias vibratorias de flexión también son bastante similares a las de H+
3. [1]
estado electronico | Nota | número de onda cm −1 [1] | frecuencia THz | energía eV | vida ns |
---|---|---|---|---|---|
3d 2 A 1 ' | 18511 | 554,95 | 2.2951 | 12,9 | |
3d 2 E " | 18409 | 551,89 | 2.2824 | 11,9 | |
3d 2 E ' | 18037 | 540,73 | 2.2363 | 9.4 | |
3p 2 A 2 " | 17789 | 533.30 | 2.2055 | 41,3 4,1 | |
3s 2 A 1 ' | 17600 | 527.638 | 2.1821 | 58,1 | |
3p 2 E ' | 13961 | 418,54 | 1.7309 | 22,6 | |
2p 2 A 2 " | vida mas larga | 993 | 29,76 | 0.12311 | 69700 |
2p 2 A 2 " | predisociación | 0 | 0 | 0 | 21,8 |
2p 2 E ' | disociación | −16674 | −499,87 | −2.0673 | 0 |
El relacionado H+ 3ion es el ion molecular más prevalente en el espacio interestelar. Se cree que jugó un papel crucial en el enfriamiento de las primeras estrellas en la historia del Universo gracias a su capacidad para absorber y emitir fotones con facilidad. [9] Una de las reacciones químicas más importantes en el espacio interestelar es H+
3+ e - → H 3 y luego → H 2 + H. [6]
Dado que la molécula es relativamente simple, los investigadores han intentado calcular las propiedades de la molécula ab-initio a partir de la teoría cuántica. Se han utilizado las ecuaciones de Hartree-Fock . [10]
El hidrógeno triatómico se formará durante la neutralización de H+
3. Este ion se neutralizará en presencia de gases distintos de He o H 2 , ya que puede abstraer un electrón. Así, el H 3 se forma en la aurora en la ionosfera de Júpiter y Saturno. [11]
JJ Thomson observó H+
3mientras experimenta con rayos positivos . Creía que era una forma ionizada de H 3 de aproximadamente 1911. Creía que el H 3 era una molécula estable y escribió y dio conferencias sobre ella. Afirmó que la forma más fácil de hacerlo era apuntar al hidróxido de potasio con rayos catódicos. [8] En 1913, Johannes Stark propuso que tres núcleos de hidrógeno y electrones podrían formar un anillo estable. En 1919 Niels Bohr propuso una estructura con tres núcleos en línea recta, con tres electrones orbitando en un círculo alrededor del núcleo central. Creía que H+
3sería inestable, pero que reaccionando H-
2con H + podría producir H 3 neutro . La estructura de Stanley Allen tenía la forma de un hexágono con electrones y núcleos alternados. [8]
En 1916 Arthur Dempster demostró que el gas H 3 era inestable, pero al mismo tiempo también confirmó que existía el catión. En 1917 Gerald Wendt y William Duane descubrieron que el gas hidrógeno sometido a partículas alfa se reducía en volumen y pensaron que el hidrógeno diatómico se convertía en triatómico. [8] Después de esto, los investigadores pensaron que el hidrógeno activo podría ser la forma triatómica. [8] Joseph Lévine llegó a postular que los sistemas de baja presión en la Tierra ocurrieron debido al hidrógeno triatómico alto en la atmósfera. [8] En 1920 Wendt y Landauer llamaron a la sustancia "Hyzone" en analogía aozono y su reactividad extra sobre el hidrógeno normal. [12] Anteriormente, Gottfried Wilhelm Osann creía que había descubierto una forma de hidrógeno análoga al ozono que llamó "Ozonwasserstoff". Se hizo mediante electrólisis de ácido sulfúrico diluido. En aquellos días nadie sabía que el ozono era triatómico, por lo que no anunció el hidrógeno triatómico. [13] Más tarde se demostró que esto era una mezcla con dióxido de azufre y no una nueva forma de hidrógeno. [12]
En la década de 1930 se descubrió que el hidrógeno activo era hidrógeno con contaminación por sulfuro de hidrógeno , y los científicos dejaron de creer en el hidrógeno triatómico. [8] Los cálculos de la mecánica cuántica mostraron que el H 3 neutro era inestable pero que el H ionizado+
3podría existir. [8] Cuando apareció el concepto de isótopos, gente como Bohr pensó que podría haber un eka-hidrógeno con peso atómico 3. Esta idea se demostró más tarde con la existencia del tritio , pero esa no fue la explicación de por qué el peso molecular 3 se observó en espectrómetros de masas. [8] JJ Thomson más tarde creyó que la molécula de peso molecular 3 que observó era deuteruro de hidrógeno . [13] En la nebulosa de Orión se observaron líneas que se atribuyeron al nebulio, que podría haber sido el nuevo elemento eka-hidrógeno, especialmente cuando su peso atómico se calculó cerca de 3. Más tarde se demostró que se trataba de nitrógeno y oxígeno ionizados. [8]
Gerhard Herzberg fue el primero en observar realmente el espectro de H 3 neutro , y esta molécula triatómica fue la primera en tener un espectro de Rydberg medido donde su propio estado fundamental era inestable. [1]