Dreiatomiger Wasserstoff – Wikipedia

Dreiatomiger Wasserstoff oder h₃ ist ein instabiles dreiatomiges Molekül, das nur Wasserstoff enthält. Da dieses Molekül nur drei Wasserstoffatome enthält, ist es das einfachste dreiatomige Molekül^[1] und es ist relativ einfach, die quantenmechanische Beschreibung der Teilchen numerisch zu lösen. Da es instabil ist, zerfällt das Molekül in weniger als einer Millionstel Sekunde. Seine flüchtige Lebensdauer macht es selten, aber dank der Gemeinsamkeit des Trihydrogenkations wird es im Universum ziemlich häufig gebildet und zerstört. Das Infrarotspektrum von H₃ aufgrund von Vibration und Rotation ist dem des Ions sehr ähnlich, h⁺
₃. Im frühen Universum ermöglichte diese Fähigkeit, Infrarotlicht zu emittieren, das ursprüngliche Wasserstoff- und Heliumgas abzukühlen, um Sterne zu bilden.

Formation[edit]

Das neutrale Molekül kann in einer Niederdruck-Gasentladungsröhre gebildet werden.^[2]

Ein neutraler Strahl von H₃ kann aus einem Balken von gebildet werden h⁺
₃ Ionen passieren gasförmiges Kalium, das ein Elektron an das Ion abgibt und K . bildet⁺.^[3] Auch andere gasförmige Alkalimetalle wie Cäsium können zur Elektronenabgabe verwendet werden.^[4]h⁺
₃ Ionen können in einem Duoplasmatron hergestellt werden, in dem eine elektrische Entladung durch molekularen Wasserstoff mit niedrigem Druck geleitet wird. Dies verursacht einige H₂ werden h⁺
₂. Dann H₂ + h⁺
₂ → h⁺
₃ + H. Die Reaktion ist mit einer Energie von 1,7 eV exotherm, die erzeugten Ionen sind also heiß mit viel Schwingungsenergie. Diese können sich bei ausreichend hohem Druck durch Kollisionen mit kühlerem Gas abkühlen. Dies ist von Bedeutung, da stark schwingende Ionen stark schwingende neutrale Moleküle erzeugen, wenn sie nach dem Franck-Condon-Prinzip neutralisiert werden.^[3]

Beenden[edit]

h₃ kann sich auf folgende Weise auflösen:

${displaystyle mathrm {H_{3}quad longrightarrow quad H_{3}^{+} + e^{-}} }$

^[5]

${displaystyle mathrm {H_{3}^{*}quad longrightarrow quad H + H_{2}} }$

${displaystyle mathrm {H_{3}^{*}quad longrightarrow quad 3 H}}$

Eigenschaften[edit]

Das Molekül kann nur in einem angeregten Zustand existieren. Die verschiedenen angeregten elektronischen Zustände werden durch Symbole für das äußere Elektron nLΓ dargestellt, wobei n die Hauptquantenzahl ist, L der elektronische Drehimpuls ist und Γ die elektronische Symmetrie ausgewählt aus D_3h Gruppe. Es können zusätzliche Klammersymbole angebracht werden, die Vibrationen im Kern anzeigen: {s,d^l} wobei s die symmetrische Streckung darstellt, d den entarteten Modus und l den Schwingungsdrehimpuls. Noch ein weiterer Begriff kann eingefügt werden, um die molekulare Rotation anzuzeigen: (N,G) mit N Drehimpuls abseits der Elektronen, wie auf die Molekülachse projiziert, und G die bequeme Quantenzahl von Hougen, bestimmt durch G=l+λ-K. Dies ist oft (1,0), da die Rotationszustände dadurch eingeschränkt werden, dass die konstituierenden Teilchen alle Fermionen sind. Beispiele für diese Zustände sind:^[5] 2sA₁‘ 3sA₁‘ 2pA₂” 3dE’ 3DE” 3dA₁‘ 3pE’ 3pA₂“. Die 2p²EIN₂“-Zustand hat eine Lebensdauer von 700 ns. Wenn das Molekül versucht, Energie zu verlieren und in den abstoßenden Grundzustand überzugehen, bricht es spontan auf. Der metastabile Zustand mit der niedrigsten Energie, 2sA₁‘ hat eine Energie von -3,777 eV unter h⁺
₃ und e⁻ Zustand, aber zerfällt in etwa 1 ps.^[5] Der instabile Grundzustand mit der Bezeichnung 2p²E’ zerfällt spontan in ein H₂ Molekül und ein H-Atom.^[1] Rotationslose Zustände haben eine längere Lebensdauer als rotierende Moleküle.^[1]

Der elektronische Zustand für ein Trihydrogenkation mit einem um es delokalisierten Elektron ist ein Rydberg-Zustand.^[6]

Das äußere Elektron kann auf einen hohen Rydberg-Zustand angehoben werden und kann ionisieren, wenn die Energie 29562,6 cm . erreicht^-1 oberhalb der 2pA₂“Zustand, in welchem ​​Fall h⁺
₃ Formen.^[7]

Die Form des Moleküls wird als gleichseitiges Dreieck vorhergesagt.^[1] Schwingungen können im Molekül auf zwei Arten auftreten: Erstens kann sich das Molekül ausdehnen und zusammenziehen, wobei die gleichseitige Dreiecksform beibehalten wird (Atmung), oder ein Atom kann sich relativ zu den anderen bewegen und das Dreieck verzerren (Biegen). Die Biegeschwingung hat ein Dipolmoment und koppelt somit an Infrarotstrahlung an.^[1]

Spektrum[edit]

Gerhard Herzberg fand als erster spektroskopische Linien von neutralem H₃ als er 1979 75 Jahre alt war. Später gab er bekannt, dass diese Beobachtung eine seiner Lieblingsentdeckungen war.^[8] Die Leitungen kamen von einer Kathodenentladungsröhre.^[8] Der Grund dafür, dass frühere Beobachter kein H . sehen konnten₃ Spektrallinien, war darauf zurückzuführen, dass sie vom Spektrum des viel häufiger vorkommenden H₂. Der wichtige Fortschritt bestand darin, H . abzutrennen₃ so konnte es allein beobachtet werden. Die Trennung nutzt die Massenspektroskopie-Trennung der positiven Ionen, so dass H₃ mit Masse 3 kann von H . getrennt werden₂ mit Masse 2. Allerdings gibt es noch einige Kontaminationen durch HD, die auch Masse 3 hat.^[3]

Das Spektrum von H₃ ist hauptsächlich auf Übergänge in den langlebigeren Zustand von 2p . zurückzuführen²EIN₂“. Das Spektrum kann über ein zweistufiges Photoionisationsverfahren gemessen werden.^[1]

Übergänge fallen zu den unteren 2s²EIN₁“ Zustand werden durch seine sehr kurze Lebensdauer in der sogenannten Prädissoziation beeinflusst. Die beteiligten Spektrallinien sind verbreitert.^[3] Im Spektrum gibt es Banden aufgrund von Rotation mit PQ- und R-Zweigen. Der R-Zweig ist in H . sehr schwach₃Isotopomer aber stark mit D₃ (Trideuterium).^[3]

Der symmetrische Dehnungsvibrationsmodus hat eine Wellenzahl von 3213,1 cm^-1 für die 3er²EIN₁‘ Ebene und 3168 cm^-1 für 3d²E” und 3254 cm^-1 für 2p²EIN₂“.^[1] Die Biegeschwingungsfrequenzen sind auch denen für h⁺
₃.^[1]

Ebenen[edit]

Das zugehörige h⁺
₃ Ion ist das am häufigsten vorkommende Molekülion im interstellaren Raum. Es wird angenommen, dass es eine entscheidende Rolle bei der Abkühlung der frühen Sterne in der Geschichte des Universums gespielt hat, da es leicht Photonen absorbieren und emittieren kann.^[9] Eine der wichtigsten chemischen Reaktionen im interstellaren Raum ist h⁺
₃ + e⁻→ h₃ und dann → h₂ +H.^[6]

Berechnungen[edit]

Da das Molekül relativ einfach ist, haben Forscher versucht, die Eigenschaften des Moleküls ab-initio aus der Quantentheorie zu berechnen. Es wurden die Hartree-Fock-Gleichungen verwendet.^[10]

Natürliches Vorkommen[edit]

Bei der Neutralisation von . wird dreiatomiger Wasserstoff gebildet h⁺
₃. Dieses Ion wird in Gegenwart anderer Gase als He oder H . neutralisiert₂, da es ein Elektron abstrahieren kann. Also H₃ wird in der Aurora in der Ionosphäre von Jupiter und Saturn gebildet.^[11]

Geschichte[edit]

Starks Modell des dreiatomigen Wasserstoffs von 1913

JJ Thomson beobachtete h⁺
₃ beim Experimentieren mit positiven Strahlen. Er glaubte, dass es sich um eine ionisierte Form von H . handelte₃ von etwa 1911. Er glaubte, dass H₃ war ein stabiles Molekül und schrieb und lehrte darüber. Er erklärte, dass es am einfachsten sei, Kaliumhydroxid mit Kathodenstrahlen anzuvisieren.^[8] 1913 schlug Johannes Stark vor, dass drei Wasserstoffkerne und Elektronen eine stabile Ringform bilden könnten. 1919 schlug Niels Bohr eine Struktur mit drei Kernen in einer geraden Linie vor, bei der drei Elektronen kreisförmig um den Zentralkern kreisen. Er glaubte das h⁺
₃ wäre instabil, aber das reagiert h⁻
₂ mit H⁺ könnte neutrales H . ergeben₃. Stanley Allens Struktur hatte die Form eines Sechsecks mit abwechselnden Elektronen und Kernen.^[8]

1916 zeigte Arthur Dempster, dass H₃ Gas war instabil, bestätigte aber gleichzeitig auch die Existenz des Kations. 1917 entdeckten Gerald Wendt und William Duane, dass das Volumen von Wasserstoffgas, das Alphateilchen ausgesetzt war, schrumpfte und dachten, dass zweiatomiger Wasserstoff in dreiatomigen umgewandelt wird.^[8] Danach dachten die Forscher, dass aktiver Wasserstoff die dreiatomige Form sein könnte.^[8]Joseph Lévine ging sogar so weit zu postulieren, dass Tiefdrucksysteme auf der Erde durch dreiatomigen Wasserstoff hoch in der Atmosphäre entstanden sind.^[8]

1920 nannten Wendt und Landauer den Stoff “Hyzone” in Analogie zu Ozon und seiner zusätzlichen Reaktivität gegenüber normalem Wasserstoff.^[12] Früher glaubte Gottfried Wilhelm Osann, eine dem Ozon analoge Form von Wasserstoff entdeckt zu haben, die er “Ozonwasserstoff” nannte. Es wurde durch Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure hergestellt. Damals wusste niemand, dass Ozon dreiatomig ist, also kündigte er keinen dreiatomigen Wasserstoff an.^[13] Später stellte sich heraus, dass es sich um eine Mischung mit Schwefeldioxid und nicht um eine neue Form von Wasserstoff handelte.^[12]

In den 1930er Jahren wurde festgestellt, dass aktiver Wasserstoff Wasserstoff mit Schwefelwasserstoff-Kontamination ist, und die Wissenschaftler hörten auf, an dreiatomigen Wasserstoff zu glauben.^[8] Quantenmechanische Rechnungen zeigten, dass neutrales H₃ war instabil, aber das ist ionisiert h⁺
₃ existieren könnte.^[8] Als das Konzept der Isotope aufkam, dachten Leute wie Bohr, es könnte einen Eka-Wasserstoff mit Atomgewicht 3 geben. Diese Idee wurde später mit der Existenz von Tritium bewiesen, aber das war nicht die Erklärung, warum das Molekulargewicht 3 beobachtet wurde bei Massenspektrometern.^[8] JJ Thomson glaubte später, dass das von ihm beobachtete Molekül mit einem Molekulargewicht von 3 Wasserstoffdeuterid war.^[13] Im Orion wurden Nebellinien beobachtet, die dem Nebel zugeschrieben wurden, der das neue Element Eka-Wasserstoff gewesen sein könnte, insbesondere wenn sein Atomgewicht mit nahe 3 berechnet wurde. Später stellte sich heraus, dass es sich um ionisierten Stickstoff und Sauerstoff handelte.^[8]

Gerhard Herzberg war der erste, der das Spektrum von neutralem H . tatsächlich beobachtete₃, und dieses dreiatomige Molekül war das erste, bei dem ein Rydberg-Spektrum gemessen wurde, bei dem sein eigener Grundzustand instabil war.^[1]

Siehe auch[edit]

• FM Devienne, einer der ersten, der die Energieeigenschaften von dreiatomigem Wasserstoff untersucht hat

Verweise[edit]

Externe Links[edit]