Molécula diatómica - Diatomic molecule

Un modelo de llenado de espacio de la molécula diatómica dinitrógeno, N 2

Las moléculas diatómicas son moléculas compuestas por solo dos átomos , del mismo o diferentes elementos químicos . El prefijo di- es de origen griego, que significa "dos". Si una molécula diatómica consta de dos átomos del mismo elemento, como hidrógeno (H 2 ) u oxígeno (O 2 ), entonces se dice que es homonuclear . De lo contrario, si una molécula diatómica consta de dos átomos diferentes, como el monóxido de carbono (CO) o el óxido nítrico (NO), se dice que la molécula es heteronuclear . El enlace en una molécula diatómica homonuclear es apolar.

Una tabla periódica que muestra los elementos que existen como moléculas diatómicas homonucleares en condiciones típicas de laboratorio.

Los únicos elementos químicos que forman moléculas diatómicas homonucleares estables a temperatura y presión estándar (STP) (o condiciones típicas de laboratorio de 1 bar y 25 ° C) son los gases hidrógeno (H 2 ), nitrógeno (N 2 ), oxígeno (O 2). ), flúor (F 2 ) y cloro (Cl 2 ).

Los gases nobles ( helio , neón , argón , criptón , xenón y radón ) también son gases en STP, pero son monoatómicos . Los gases diatómicos homonucleares y los gases nobles juntos se denominan "gases elementales" o "gases moleculares", para distinguirlos de otros gases que son compuestos químicos .

A temperaturas ligeramente elevadas, los halógenos bromo (Br 2 ) y yodo (I 2 ) también forman gases diatómicos. Todos los halógenos se han observado como moléculas diatómicas, excepto el astato y el tennessino , que son inciertos.

Otros elementos forman moléculas diatómicas cuando se evaporan, pero estas especies diatómicas se repolimerizan cuando se enfrían. El fósforo elemental de calentamiento ("craqueo") da difósforo , P 2 . El vapor de azufre es principalmente disulfuro (S 2 ). Se conocen dilitio (Li 2 ) y disodio (Na 2 ) en la fase gaseosa. El ditungsteno (W 2 ) y el dimolibdeno (Mo 2 ) se forman con enlaces séxtuples en la fase gaseosa. El dirubidio (Rb 2 ) es diatómico.

Moléculas heteronucleares

Todas las demás moléculas diatómicas son compuestos químicos de dos elementos diferentes. Muchos elementos pueden combinarse para formar moléculas diatómicas heteronucleares , dependiendo de la temperatura y la presión.

Algunos ejemplos son los gases monóxido de carbono (CO), óxido nítrico (NO) y cloruro de hidrógeno (HCl).

Muchos compuestos binarios 1: 1 normalmente no se consideran diatómicos porque son poliméricos a temperatura ambiente, pero forman moléculas diatómicas cuando se evaporan, por ejemplo, MgO gaseoso, SiO y muchos otros.

Ocurrencia

Se han identificado cientos de moléculas diatómicas en el medio ambiente de la Tierra, en el laboratorio y en el espacio interestelar . Aproximadamente el 99% de la atmósfera de la Tierra está compuesta por dos especies de moléculas diatómicas: nitrógeno (78%) y oxígeno (21%). La abundancia natural de hidrógeno (H 2 ) en la atmósfera de la Tierra es solo del orden de partes por millón, pero el H 2 es la molécula diatómica más abundante del universo. El medio interestelar está dominado por átomos de hidrógeno.

Geometría molecular

Todas las moléculas diatómicas son lineales y se caracterizan por un solo parámetro que es la longitud del enlace o la distancia entre los dos átomos. El nitrógeno diatómico tiene un triple enlace, el oxígeno diatómico tiene un doble enlace y el hidrógeno diatómico, el flúor, el cloro, el yodo y el bromo tienen enlaces sencillos.

Significado historico

Los elementos diatómicos jugaron un papel importante en la elucidación de los conceptos de elemento, átomo y molécula en el siglo XIX, porque algunos de los elementos más comunes, como el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno, se presentan como moléculas diatómicas. La hipótesis atómica original de John Dalton suponía que todos los elementos eran monoatómicos y que los átomos de los compuestos normalmente tendrían las proporciones atómicas más simples entre sí. Por ejemplo, Dalton asumió que la fórmula del agua era HO, dando el peso atómico del oxígeno como ocho veces el del hidrógeno, en lugar del valor moderno de aproximadamente 16. Como consecuencia, existió confusión con respecto a los pesos atómicos y las fórmulas moleculares durante aproximadamente medio siglo. .

Ya en 1805, Gay-Lussac y von Humboldt demostraron que el agua está formada por dos volúmenes de hidrógeno y un volumen de oxígeno, y en 1811 Amedeo Avogadro había llegado a la interpretación correcta de la composición del agua, basada en lo que ahora se llama la ley de Avogadro. y la suposición de moléculas elementales diatómicas. Sin embargo, estos resultados se ignoraron en su mayoría hasta 1860, en parte debido a la creencia de que los átomos de un elemento no tendrían afinidad química hacia los átomos del mismo elemento, y también en parte debido a aparentes excepciones a la ley de Avogadro que no se explicaron hasta más tarde en términos. de moléculas disociadas.

En el Congreso de Karlsruhe de 1860 sobre pesos atómicos, Cannizzaro resucitó las ideas de Avogadro y las utilizó para producir una tabla consistente de pesos atómicos, que en su mayoría concuerda con los valores modernos. Estos pesos fueron un requisito previo importante para el descubrimiento de la ley periódica por Dmitri Mendeleev y Lothar Meyer .

Estados electrónicos emocionados

Las moléculas diatómicas se encuentran normalmente en su estado más bajo o fundamental, que convencionalmente también se conoce como estado. Cuando un gas de moléculas diatómicas es bombardeado por electrones energéticos, algunas de las moléculas pueden excitarse a estados electrónicos superiores, como ocurre, por ejemplo, en la aurora natural; explosiones nucleares a gran altitud; y experimentos con cañones de electrones transportados por cohetes. Tal excitación también puede ocurrir cuando el gas absorbe luz u otra radiación electromagnética. Los estados excitados son inestables y, naturalmente, vuelven al estado fundamental. En varias escalas de tiempo corto después de la excitación (típicamente una fracción de segundo, o algunas veces más de un segundo si el estado excitado es metaestable ), las transiciones ocurren de estados electrónicos más altos a más bajos y finalmente al estado fundamental, y en cada transición resulta se emite un fotón . Esta emisión se conoce como fluorescencia . Estados sucesivamente más altos electrónicos están convencionalmente denominan , , , etc. (pero esta convención no siempre se sigue, y letras minúsculas a veces más bajos y alfabéticamente fuera de secuencia se utilizan letras, como en el ejemplo dado a continuación). La energía de excitación debe ser mayor o igual a la energía del estado electrónico para que se produzca la excitación.

En la teoría cuántica, un estado electrónico de una molécula diatómica está representado por el término molecular símbolo

donde es el número cuántico de espín electrónico total, es el número cuántico de momento angular electrónico total a lo largo del eje internuclear y es el número cuántico vibratorio. toma valores 0, 1, 2, ..., que están representados por los símbolos estado electrónico , , , .... Por ejemplo, la tabla se enumeran los estados electrónicos comunes (sin números cuánticos vibracionales) a lo largo con la energía de el nivel vibracional más bajo ( ) de nitrógeno diatómico (N 2 ), el gas más abundante en la atmósfera de la Tierra. En la tabla, los subíndices y superíndices posteriores dan detalles adicionales de la mecánica cuántica sobre el estado electrónico.

Estado Energía ( , cm −1 )
0.0
49754,8
59306,8
59380.2
65851.3
67739,3
68951.2
71698.4

La fluorescencia antes mencionada ocurre en distintas regiones del espectro electromagnético , llamadas " bandas de emisión ": cada banda corresponde a una transición particular desde un estado electrónico y nivel vibratorio más altos a un estado electrónico y nivel vibratorio más bajos (típicamente, muchos niveles vibratorios están involucrados en un gas excitado de moléculas diatómicas). Por ejemplo, N 2 - bandas de emisión (también conocido como bandas de Vegard-Kaplan) están presentes en el intervalo espectral 0,14-1,45 m (micrómetros). Una banda dada se puede propagar a lo largo de varios nanómetros de longitud de onda electromagnética espacio, debido a las diversas transiciones que se producen en número cuántico rotacional de la molécula, . Estos se clasifican en distintas ramas de subbanda, según el cambio de . La rama corresponde a , la rama a y la rama a . Las bandas se extienden aún más por la resolución espectral limitada del espectrómetro que se utiliza para medir el espectro . La resolución espectral depende de la función de dispersión de puntos del instrumento .

Niveles de energía

El término molecular símbolo es una expresión abreviada de los momentos angulares que caracterizan los estados cuánticos electrónicos de una molécula diatómica, que también son estados propios del Hamiltoniano molecular electrónico . También es conveniente y común representar una molécula diatómica como masas de dos puntos conectadas por un resorte sin masa. Las energías involucradas en los diversos movimientos de la molécula se pueden dividir en tres categorías: las energías de traslación, rotacional y vibratoria.

En cuanto a la historia, el primer tratamiento de moléculas diatómicas con mecánica cuántica fue realizado por Lucy Mensing en 1926.

Energías traslacionales

La energía de traslación de la molécula viene dada por la expresión de energía cinética :

donde es la masa de la molécula y es su velocidad.

Energías rotacionales

Clásicamente, la energía cinética de rotación es

donde
es el momento angular
es el momento de inercia de la molécula

Para sistemas microscópicos de nivel atómico como una molécula, el momento angular solo puede tener valores discretos específicos dados por

donde es un número entero no negativo y es la constante de Planck reducida .

Además, para una molécula diatómica, el momento de inercia es

donde
es la masa reducida de la molécula y
es la distancia promedio entre los centros de los dos átomos de la molécula.

Entonces, sustituyendo el momento angular y el momento de inercia en E rot , los niveles de energía rotacional de una molécula diatómica están dados por:

Energías vibratorias

Otro tipo de movimiento de una molécula diatómica es que cada átomo oscile —o vibre— a lo largo de la línea que conecta los dos átomos. La energía vibratoria es aproximadamente la de un oscilador armónico cuántico :

donde
es un entero
es la constante de Planck reducida y
es la frecuencia angular de la vibración.

Comparación entre espaciamientos de energía rotacional y vibratoria

El espaciamiento y la energía de una transición espectroscópica típica entre niveles de energía vibracional es aproximadamente 100 veces mayor que el de una transición típica entre niveles de energía rotacional .

Casos de Hund

Los buenos números cuánticos para una molécula diatómica, así como buenas aproximaciones de los niveles de energía rotacional, se pueden obtener modelando la molécula utilizando los casos de Hund .

Mnemotécnica

Los mnemotécnicos BrINClHOF , pronunciado "Brinklehof", HONClBrIF , pronunciado "Honkelbrif" y HOFBrINCl , pronunciado "Hofbrinkle", se han acuñado para ayudar a recordar la lista de elementos diatómicos. Otro método, para angloparlantes, es la oración: " Nunca tengas miedo a la cerveza helada " como una representación de nitrógeno, hidrógeno, flúor, oxígeno, yodo, cloro, bromo.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos

  • Hiperfísica : espectros rotacionales de moléculas de rotor rígido
  • Hiperfísica - Oscilador armónico cuántico
  • Química 3D : química, estructuras y moléculas 3D
  • IUMSC - Centro de Estructura Molecular de la Universidad de Indiana