Diazenilio

El diazenilio es el ion químico N₂H⁺ _, ^un catión inorgánico que fue uno de los primeros iones observados en nubes interestelares . Desde entonces, se ha observado en diversos tipos de entornos interestelares , observaciones que tienen múltiples aplicaciones científicas. Proporciona a los astrónomos información sobre la ionización fraccionada de las nubes de gas, la química que tiene lugar en su interior y se utiliza frecuentemente como trazador de moléculas que no se detectan con tanta facilidad (como _el N₂ ). ^{[ 1 ]} Su transición rotacional 1-0 se produce a 93,174 GHz, una región del espectro donde la atmósfera terrestre es transparente ^{[ 2 ]} y presenta una profundidad óptica significativa tanto en nubes frías como cálidas ^{[ 3 ], por} lo que es relativamente fácil de observar con observatorios terrestres. Los resultados de las observaciones de N₂H⁺ _pueden utilizarse no solo para determinar la química de las nubes interestelares, sino también para mapear los perfiles de densidad y velocidad de estas nubes. ^{[ 4 ]} 

N ₂ H ⁺ fue observado por primera vez en 1974 por BE Turner. Observó un triplete previamente no identificado a 93,174  GHz utilizando el  telescopio NRAO de 11 m. ^{[ 5 ]} Inmediatamente después de esta observación inicial, Green et al. identificaron el triplete como la transición rotacional 1–0 de N ₂ H ⁺ . Esto se hizo utilizando una combinación de cálculos moleculares ab initio y comparación de moléculas similares, como N ₂ , CO , HCN , HNC y HCO ⁺ , que son todas isoelectrónicas a N ₂ H ⁺ . Con base en estos cálculos, se esperaría que la transición rotacional observada tuviera siete componentes hiperfinas, pero solo se observaron tres de ellas, ya que la resolución del telescopio era insuficiente para distinguir los picos causados ​​por el desdoblamiento hiperfino del átomo de nitrógeno interno. ^{[ 6 ]} Apenas un año después, Thaddeus y Turner observaron la misma transición en la nube molecular de Orión 2 (OMC-2) utilizando el mismo telescopio, pero esta vez integraron durante 26 horas, lo que resultó en una resolución lo suficientemente buena como para distinguir los componentes hiperfinos más pequeños. ^{[ 7 ]}

En las últimas tres décadas, N₂H⁺ ^se _ha observado con bastante frecuencia, y la banda rotacional 1-0 es casi exclusivamente la que buscan los astrónomos. En 1995, la estructura hiperfina de este septuplete se observó con una precisión absoluta de ~7 kHz, lo cual fue suficiente para determinar sus constantes moleculares con una precisión un orden de magnitud mayor que la posible en el laboratorio. ^{[ 8 ]} Esta observación se realizó hacia L1512 utilizando el telescopio NEROC Haystack de 37 m . En el mismo año, Sage et al. observaron la transición 1-0 de N₂H⁺ ^en _{siete de} las nueve galaxias cercanas que observaron con el telescopio NRAO de 12 m en Kitt Peak. ^{[ 9 ] N₂H⁺} fue uno de los primeros iones moleculares en ser observados en otras galaxias, y su observación ayudó a mostrar que la química en otras galaxias es bastante similar a la que vemos en nuestra propia galaxia.   

El _N₂H⁺ se observa con mayor frecuencia en nubes moleculares densas, donde ha demostrado ser útil como una de las últimas moléculas en congelarse sobre los granos de polvo a medida que la densidad de la nube aumenta hacia el centro. En 2002, Bergin et al. realizaron un estudio espacial de núcleos densos para determinar hasta qué punto hacia el centro ^se podía ^observar el N₂H⁺ _y descubrieron que su abundancia disminuye al menos dos órdenes de magnitud al desplazarse desde el borde exterior del núcleo hacia el centro. Esto demostró que incluso el N₂H⁺ no _es un trazador ideal para la química de los núcleos preestelares densos , y concluyó que el H₂D⁺ _{podría ser la única sonda molecular adecuada para las regiones} ^{más internas de los} núcleos preestelares. ^{[ 10 ]}

Aunque el N₂H⁺ _{es el} ^{isótopo que} con mayor frecuencia observan los astrónomos debido a su facilidad de detección, se han realizado algunos experimentos de laboratorio que lo han observado en un entorno más controlado. El primer espectro de laboratorio del N₂H⁺ correspondió a la banda rotacional 1-0 en el nivel vibracional fundamental, la misma transición de microondas que los astrónomos habían descubierto recientemente en el espacio. ^{[ 11 ]}

^{Diez años después ,} Owrutsky et al. realizaron espectroscopia vibracional de N₂H⁺ _observando el plasma creado por una descarga de una mezcla de nitrógeno, hidrógeno y argón mediante un láser de centro de color. Durante la descarga pulsada, los polos se invirtieron en pulsos alternos, de modo que los iones fueron arrastrados de un lado a otro a través de la celda de descarga. Esto provocó que las características de absorción de los iones, pero no de las moléculas neutras, se desplazaran en el espacio de frecuencias, por lo que se pudo utilizar un amplificador lock-in para observar los espectros solo de los iones en la descarga. El lock-in combinado con la modulación de velocidad proporcionó una discriminación >99,9% entre iones y neutros. El gas de alimentación se optimizó para la producción de N₂H⁺ ^, y _se observaron transiciones hasta J = 41 tanto para la banda fundamental de estiramiento N–H como para la banda caliente de flexión. ^{[ 12 ]} 

Posteriormente, Kabbadj et al. observaron bandas aún más intensas asociadas con la banda vibracional fundamental utilizando un láser de frecuencia diferencial para observar una descarga de una mezcla de gases de nitrógeno, hidrógeno y helio. Utilizaron la modulación de velocidad de la misma manera que Owrutsky et al., para discriminar iones de neutros. Combinaron esto con una técnica de haz contrapropagante para ayudar a la sustracción de ruido, lo que aumentó considerablemente su sensibilidad. Tuvieron la sensibilidad suficiente para observar OH +, H2O+ y H3O ⁺ que _se ^formaron a _partir ^de las minúsculas impurezas de O2 y _H2O en _su tanque de helio. ^{[ 13 ]}

Al ajustar todas las bandas observadas, se determinó que las constantes rotacionales para N ₂ H ⁺ eran B _e  = 1,561928  cm ⁻¹ y D _e  =2,746 × 10 ⁻⁶  cm ⁻¹ , que son las únicas constantes necesarias para determinar el espectro rotacional de esta molécula lineal en el estado vibracional fundamental, con la excepción de la determinación del desdoblamiento hiperfino. Dada la regla de selección Δ J  = ±1, se pueden graficar los niveles de energía rotacional calculados, junto con su porcentaje de población a 30 kelvin . Las frecuencias de los picos predichos por este método difieren de las observadas en el laboratorio en un máximo de 700 kHz.  

El _N₂H⁺ se encuentra principalmente en nubes moleculares densas, donde su presencia está estrechamente relacionada con la de muchos otros compuestos que contienen nitrógeno. ^[ 14 ^{] Está particularmente} vinculado a la química del N₂ _, que es más difícil de detectar (ya que carece de momento dipolar). Por esta razón, el N₂H⁺ ^se utiliza _comúnmente para determinar indirectamente la abundancia de N₂ _en nubes moleculares.

Las tasas de las reacciones dominantes de formación y destrucción se pueden determinar a partir de constantes de velocidad conocidas y abundancias fraccionarias (relativas a H₂ ₎ en una nube molecular densa típica. ^{[ 15 ]} Las tasas calculadas aquí fueron para un tiempo temprano (316 000 años) y una temperatura de 20  kelvin, que son condiciones típicas para una nube molecular relativamente joven.

Hay docenas de reacciones más posibles, pero estas son las únicas que son lo suficientemente rápidas como para afectar la abundancia de N₂H⁺ en _{nubes moleculares densas. Por lo tanto} ^, el diazenilio juega un papel crítico en la química de muchas moléculas que contienen nitrógeno. ^{[ 14 ]} Aunque la densidad electrónica real en las llamadas "nubes densas" es bastante baja, la destrucción de N₂H⁺ _está ^regida principalmente por la recombinación disociativa .