hidrógeno triatómico

El hidrógeno triatómico o H₃ es una molécula triatómica inestable que contiene solo hidrógeno . Dado que esta molécula contiene solo 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 desintegra en menos de una millonésima de segundo. Su fugaz vida la hace rara, pero se forma y destruye con bastante frecuencia en el universo gracias a la abundancia del catión trihidrógeno . El espectro infrarrojo del H₃, _debido a la vibración y la rotación, es muy similar al del ion H⁺³ . En el universo primitivo ^{, esta capacidad de emitir luz infrarroja permitió} _que el hidrógeno y el helio primordiales se enfriaran para formar estrellas.

La molécula neutra puede formarse en un tubo de descarga de gas a baja presión . ^{[ 2 ]}

Un haz neutro de H₃ _puede formarse a partir de un haz de _iones H⁺³ que atraviesa potasio ^gaseoso , el cual dona un electrón al ion, formando K⁺ ^. [ ^{3 ] Otros} metales alcalinos gaseosos, como el cesio , también pueden utilizarse para donar electrones. ^{[ 4 ]} _Los iones H⁺³ pueden generarse en un duoplasmatrón donde una descarga eléctrica atraviesa hidrógeno molecular a baja presión. Esto provoca que parte del H₂ _se ^convierta _en H⁺² ^. Entonces , H₂ ⁺ _H⁺² → H⁺³ + H. _{La reacción es exotérmica con una energía de 1,7 eV, por lo que los iones producidos están calientes y} ^poseen mucha energía vibracional. Estos pueden enfriarse mediante colisiones con gas más frío si la presión es suficientemente alta. Esto es significativo porque los iones que vibran fuertemente producen moléculas neutras que vibran fuertemente cuando se neutralizan, según el principio de Franck-Condon . ^{[ 3 ]}

El H3 _se puede descomponer de las siguientes maneras:

H ₃ → H + 3 + e ^{− [ 5 ]}

H ₃ → H + H ₂

H ₃ → 3 H

2 H ₃ → 3 H ₂

La molécula solo puede existir en un estado excitado. Los diferentes estados electrónicos excitados se representan mediante símbolos para el electrón externo nLΓ, donde n es el número cuántico principal, L es el momento angular electrónico y Γ es la simetría electrónica seleccionada del grupo D _3h . Se pueden añadir símbolos adicionales entre corchetes que muestran la vibración en el núcleo: {s,d ^l }, donde s representa el estiramiento simétrico, d el modo degenerado y l el momento angular vibracional. Se puede insertar otro término para indicar la rotación molecular: (N,G), donde N es el momento angular aparte de los electrones proyectado sobre el eje molecular y G es el número cuántico conveniente de Hougen determinado por G=l+λ-K. Esto suele ser (1,0), ya que los estados rotacionales están restringidos por el hecho de que todas las partículas constituyentes son 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 e ir al estado fundamental repulsivo , se rompe espontáneamente. El estado metaestable de menor energía, 2sA ₁ ' tiene una energía de -3,777 eV por debajo del estado H ⁺ ₃ y e ⁻ pero decae en alrededor de 1 ps . ^{[ 5 ]} El estado fundamental inestable designado 2p ² E' se rompe espontáneamente en una molécula de H ₂ y un átomo de H. ^{[ 1 ]} Los estados sin rotación tienen una vida útil 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 elevado a un estado de Rydberg alto y puede ionizarse si la energía llega a 29562,6  cm ⁻¹ por encima del estado 2pA ₂ ", en cuyo caso se forma H ⁺ _3. ^{[ 7 ]}

Se predice que la molécula tiene forma de triángulo equilátero . ^{[ 1 ]} Las vibraciones pueden ocurrir en la molécula de dos maneras: primero, la molécula puede expandirse y contraerse manteniendo la forma de triángulo equilátero (respiración), o bien, un átomo puede moverse con respecto a los demás 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 H₃ neutro _cuando tenía 75 años en 1979. Más tarde anunció que esta observación era uno de sus descubrimientos favoritos. ^{[ 8 ]} Las líneas se originaron en un tubo de descarga catódica. ^{[ 8 ]} La razón por la que los observadores anteriores no pudieron ver ninguna línea espectral de H₃ _fue porque estaban enmascaradas por el espectro del mucho más abundante H₂ _. El avance importante fue separar el H₃ _para poder observarlo solo. La separación utiliza la separación por espectrometría de masas de los iones positivos, de modo que el H₃ _con masa 3 puede separarse del H₂ _con masa 2. Sin embargo , todavía hay cierta contaminación de HD , que también tiene masa 3. ^{[ 3 ]} El espectro de H₃ _se debe principalmente a transiciones al estado de mayor duración 2p₂A₂ ^" _. El espectro se puede medir mediante un método de fotoionización de dos pasos. ^{[ 1 ]}

Las transiciones que descienden al estado 2s ² A ₁ ' inferior se ven afectadas por su vida media muy corta en lo que se denomina predissociación . Las líneas espectrales implicadas se ensanchan. ^{[ 3 ]} En el espectro hay bandas debidas a la rotación con ramas PQ y R. La rama R es muy débil en el isótopo H ₃ pero fuerte con D ₃ (trideuterio). ^{[ 3 ]}

_{El modo de vibración} ^de estiramiento simétrico tiene un número de onda de 3213,1 ^cm⁻¹  para el nivel ^3s²A₁ ' y ³¹⁶⁸ cm⁻¹ para 3d²E ^" y 3254 cm⁻¹ para ^2p²A₂ _" . ^{[ 1 ] Las frecuencias de} vibración de flexión también son bastante similares a las ^de H⁺³ . ^[ ₁ ^]  

El ion H⁺³ es el ion molecular más frecuente en _{el espacio interestelar. Se cree} ^que desempeñó 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⁻ → ^H₃ y luego → _H₂ + H. ^[ ₆ ]

Dado que la molécula es relativamente simple, los investigadores han intentado calcular sus propiedades 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 del H⁺³ . Este ion se neutralizará en presencia de gases distintos del He o el H₂ _, ya que puede sustraer un electrón. Así, el H₃ _{se forma} en la aurora en la ionosfera de Júpiter y Saturno. ^{[ 11 ]}

JJ Thomson ^observó H⁺³ mientras experimentaba con rayos positivos _. Creía que era una forma ionizada de H₃ _desde aproximadamente 1911. Creía que H₃ _era una molécula estable y escribió y dio conferencias sobre ella. Afirmó que la forma más sencilla de producirla era irradiar hidróxido de potasio con rayos catódicos. ^{[ 8 ]} En 1913, Johannes Stark propuso que tres núcleos de hidrógeno y electrones podrían formar una estructura estable en forma de anillo. En 1919, ^Niels Bohr propuso una estructura con tres núcleos en línea recta, con _tres electrones orbitando en círculo alrededor del núcleo central. Creía que H⁺³ sería inestable, pero que la reacción de ^H⁻² con H⁺ ^podría producir H₃ neutro _. La _estructura de Stanley Allen tenía forma de hexágono con electrones y núcleos alternados. ^{[ 8 ]}

En 1916, Arthur Dempster demostró que el gas H₃ _era inestable, pero al mismo tiempo confirmó la existencia del catión. En 1917, Gerald Wendt y William Duane descubrieron que el hidrógeno gaseoso sometido a partículas alfa se contraía 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 incluso a postular que los sistemas de baja presión en la Tierra se producían debido al hidrógeno triatómico en las capas altas de la atmósfera. ^{[ 8 ]} En 1920, Wendt y Landauer nombraron la sustancia "Hyzone" por analogía con el ozono y su reactividad adicional sobre el hidrógeno normal. ^{[ 12 ]} Anteriormente, Gottfried Wilhelm Osann creyó haber descubierto una forma de hidrógeno análoga al ozono, a la que llamó "Ozonwasserstoff". Se producía por electrólisis de ácido sulfúrico diluido. En aquellos días, nadie sabía que el ozono era triatómico, por lo que no anunció la existencia del hidrógeno triatómico. ^{[ 13 ]} Posteriormente se demostró que se trataba de una mezcla con dióxido de azufre, y no de 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 mecánica cuántica mostraron que el H₃ neutro _era inestable, pero que el H⁺₃ ionizado _podía existir ^. [ ^{8 ] Cuando} surgió el concepto de isótopos, personas como Bohr pensaron 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 se observó un peso molecular 3 en los espectrómetros de masas. ^{[ 8 ]} JJ Thomson creyó más tarde 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 como cercano a 3. Más tarde se demostró que se trataba de nitrógeno y oxígeno ionizados. ^{[ 8 ]}

Gerhard Herzberg fue el primero en observar realmente el espectro del H₃ neutro _, y esta molécula triatómica fue la primera en tener un espectro de Rydberg medido donde su propio estado fundamental era inestable. ^{[ 1 ]}

• FM Devienne , uno de los primeros en haber estudiado las propiedades energéticas del hidrógeno triatómico.

• CH Green: " Estados de Rydberg del hidrógeno triatómico "
• La esquiva molécula de _H3 GlusteeXD 2009 (humor)
• Ekesan, Solen; Kale, Seyit; Herzfeld, Judith (5 de mayo de 2014). "Electrones pseudoclásicos transferibles para el aufbau de iones atómicos" . Journal of Computational Chemistry . 35 (15): 1159– 1164. Bibcode : 2014JCoCh..35.1159E . doi : 10.1002/jcc.23612 . PMC 4119322. PMID 24752384 .  
• Chakraborty, Romit; Mazziotti, David A. (5 de octubre de 2015). "Estructura de la matriz de densidad reducida de un electrón a partir del principio de exclusión de Pauli generalizado". International Journal of Quantum Chemistry . 115 (19): 1305– 1310. doi : 10.1002/qua.24934 .El conjunto convexo de la matriz de densidad reducida de un electrón está fijado al límite del conjunto N-representable puro.
• Saykally, Richard J. (2015). "Acción láser en el infrarrojo medio en la molécula de Rydberg H3 _y algunas posibles implicaciones astrofísicas" . AIP Conference Proceedings . 1642 (1642): 413– 415. Bibcode : 2015AIPC.1642..413S . doi : 10.1063/1.4906707 . S2CID 18158497 . predice que los láseres de H ₃ podrían existir en el universo primitivo.