El hidrógeno triatómico o H 3 es una molécula triatómica inestable que contiene únicamente 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 las partículas en la mecánica cuántica. Al ser inestable, la molécula se desintegra en menos de una millonésima de segundo. Su fugaz vida útil lo hace raro, pero se forma y destruye con bastante frecuencia en el universo gracias a la similitud del catión trihidrógeno . El espectro infrarrojo del H 3 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 se puede formar en un tubo de descarga de gas a baja presión . [2]
Se puede formar una viga neutra de H 3 a partir de una viga de H+
3Los iones pasan a través del potasio gaseoso , que dona un electrón al ion, formando K + . [3] Otros metales alcalinos gaseosos, como el cesio , también se pueden utilizar para donar electrones. [4] H+
3Los iones se pueden producir en un duoplasmatrón 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 están calientes con mucha energía vibratoria. Estos pueden enfriarse mediante colisiones con gas más frío si la presión es lo suficientemente alta. Esto es importante porque los iones que vibran fuertemente producen moléculas neutras que vibran fuertemente cuando se neutralizan según el principio de Franck-Condon . [3]
El H 3 se puede descomponer de las siguientes maneras:
La molécula sólo puede existir en un estado excitado. Los diferentes estados electrónicos excitados están representados por símbolos para el electrón externo nLΓ, siendo 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 muestren la vibración en el núcleo: {s,d l } donde s representa el estiramiento simétrico, d el modo degenerado y l el momento angular vibratorio. Se puede insertar otro término más para indicar la rotación molecular: (N,G) con N momento angular aparte de los electrones proyectados sobre el eje molecular, y G el conveniente número cuántico de Hougen determinado por G=l+λ-K. Esto suele ser (1,0), ya que los estados de rotación están restringidos porque las partículas constituyentes son todas 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 menor energía, 2sA 1 ' tiene una energía -3,777 eV por debajo del H+
3y e - estado pero decae en alrededor de 1 ps . [5] El estado fundamental inestable denominado 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 impulsado 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 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 demás distorsionando el triángulo (doblarse). La vibración de flexión tiene un momento dipolar y, por 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. Más tarde anunció que esta observación era uno de sus descubrimientos favoritos. [8] Las líneas procedían de un tubo de descarga catódico. [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 mucho más abundante H 2 . El avance importante fue separar el H 3 para que pudiera observarse solo. La separación utiliza espectroscopía de masas para separar los iones positivos, de modo que el H 3 con masa 3 se puede separar del H 2 con masa 2. Sin embargo, todavía hay algo de contaminación por HD , que también tiene masa 3. [3] El espectro del H 3 se debe principalmente a las transiciones al estado de mayor duración 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 implicadas se amplían. [3] En el espectro existen bandas por rotación con ramas PQ y R. La rama R es muy débil en el isotopómero 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 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]
La H relacionada+
3El ion es el ion molecular más frecuente en el espacio interestelar. Se cree que jugó un papel crucial en el enfriamiento de las primeras estrellas de la historia del Universo gracias a su capacidad para absorber y emitir fotones fácilmente. [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 del H.+
3. Este ion se neutralizará en presencia de gases distintos del He o H 2 , ya que puede abstraer un electrón. Así, el H 3 se forma en las auroras 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 aproximadamente desde 1911. Creía que el H 3 era una molécula estable y escribió y dio conferencias sobre ello. Afirmó que la forma más sencilla 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 círculo alrededor del núcleo central. Él creía que H.+
3sería inestable, pero que reaccionar H−
2con H + podría producir H3 neutro . La estructura de Stanley Allen tenía la forma de un hexágono con electrones y núcleos alternos. [8]
En 1916, Arthur Dempster demostró que el gas H 3 era inestable, pero al mismo tiempo también confirmó la existencia del catión. En 1917 Gerald Wendt y William Duane descubrieron que el gas hidrógeno sometido a partículas alfa reducía su 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 ocurrieron debido al hidrógeno triatómico en lo alto de la atmósfera. [8] En 1920, Wendt y Landauer llamaron a la sustancia "Hyzone" en analogía con el ozono y su reactividad adicional sobre el hidrógeno normal. [12] Anteriormente, Gottfried Wilhelm Osann creía haber descubierto una forma de hidrógeno análoga al ozono, a la que llamó "Ozonwasserstoff". Fue elaborado por electrólisis de ácido sulfúrico diluido. En aquellos días nadie sabía que el ozono era triatómico, por eso no anunció el hidrógeno triatómico. [13] Más tarde 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 contaminado con sulfuro de hidrógeno y los científicos dejaron de creer en el hidrógeno triatómico. [8] Los cálculos de mecánica cuántica mostraron que el H 3 neutro era inestable pero que el H ionizado+
3podría existir. [8] Cuando surgió el concepto de isótopos, personas como Bohr pensaron que podía haber un eka-hidrógeno con peso atómico 3. Esta idea se demostró más tarde con la existencia del tritio , pero esa no era la explicación de por qué el peso molecular 3 se observó en 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 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 del H 3 neutro , y esta molécula triatómica fue la primera en medir un espectro de Rydberg en el que su propio estado fundamental era inestable. [1]
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