Молекулярный ион водорода

Молекулярный ион водорода — простейший двухатомный ион H₂⁺, образуется при ионизации молекулы водорода. В молекулярном ионе H₂⁺ образуется одноэлектронная химическая связь с расстоянием d_HH = 1,07Å. Одноэлектронная связь менее прочна (энергия разрыва 61 ккал/моль), чем обычная двухэлектронная связь в нейтральной молекуле водорода (d_HH=0,74Å, энергия разрыва 104 ккал/моль). Расчеты зависимостей полной энергии и её компонент от межъядерного расстояния для простейшей структуры с химической связью — молекулярного иона водорода H₂⁺ с одноэлектронной связью — показывают, что минимум полной энергии, который достигается при равновесном межъядерном расстоянии, равном 1,06Å, связан с резким понижением потенциальной энергии электрона вследствие концентрации и сжатия облака электронной плотности в межъядерной области.

Можно представить образование иона H₂⁺ как результат реакции атома водорода и протона:

$\mathsf{H}\mathsf{+}{\mathsf{H}}^{\mathsf{+}}\to <!--\; \to \; -->{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}\mathsf{61}\mathsf{k}\mathsf{c}\mathsf{a}\mathsf{l}$${\mathsf {H+H^{+}\rightarrow H_{2}^{+}+61\ kcal}}$

или ионизацию молекулы водорода

${\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}\mathsf{357}\mathsf{k}\mathsf{c}\mathsf{a}\mathsf{l}\to <!--\; \to \; -->{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}{\mathsf{e}}^{\mathsf{-<!--\; -\; -->}}$${\mathsf {H_{2}+357\ kcal\rightarrow H_{2}^{+}+e^{-}}}$

Также молекулярным ионом водорода можно считать молекулу H₃⁺, которая сравнительно устойчива и образуется по схеме

${\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}^{\mathsf{+}}\to <!--\; \to \; -->{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}\mathsf{70}\mathsf{k}\mathsf{c}\mathsf{a}\mathsf{l}$${\mathsf {H_{2}+H^{+}\rightarrow H_{3}^{+}+70\ kcal}}$

или по бимолекулярной реакции через возбуждённый ион водорода H₄⁺.

${\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}{\mathsf{H}}_{\mathsf{2}}\to <!--\; \to \; -->\mathsf{[}{\mathsf{H}}_{\mathsf{4}}^{\mathsf{+}}{\mathsf{]}}^{\mathsf{\ast <!--\; \ast \; -->}}\to <!--\; \to \; -->{\mathsf{H}}_{\mathsf{3}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}\mathsf{H}\mathsf{+}\mathsf{1}\mathsf{,}\mathsf{1}\mathsf{e}\mathsf{V}$${\mathsf {H_{2}^{+}+H_{2}\rightarrow [H_{4}^{+}]^{*}\rightarrow H_{3}^{+}+H+1,1\ eV}}$

Молекулярный ион водорода H₂⁺ содержит два протона, заряженных положительно, и один электрон, заряженный отрицательно. Единственный электрон компенсирует электростатическое отталкивание двух протонов и удерживает их на расстоянии d_HH = 1,06 Å. Центр электронной плотности электронного облака (орбитали) равноудалён от обоих протонов на боровский радиус α₀ = 0,53 Å и является центром симметрии молекулярного иона водорода H₂⁺

Молекулярный ион водорода H₃⁺ содержит три протона и два электрона. Электростатическое отталкивание трёх протонов компенсируется двумя электронами. Методом кулоновского взрыва показано, что протоны молекулярного иона водорода H₃⁺ находятся в вершинах равностороннего треугольника с межъядерным расстоянием 1,25 ± 0,2Å. Точного решения волнового уравнения Шрёдингера, описывающего поведение электронов для систем, содержащих два электрона, не существует. Широко используемая приближённая теория молекулярных орбиталей не учитывает кулоновскую электронную корреляцию — электростатическое отталкивание электронов. Можно считать, что при учёте кулоновской электронной корреляции центры электронной плотности электронов будут равноудалены друг от друга, а также равноудалены от ядер молекулярного иона водорода H₃⁺. В центре молекулярного графа H₃⁺ существует «кулоновская дыра». В молекулярном ионе H₃⁺ реализуется двухэлектронная трёхцентровая химическая связь.

СсылкиПравить

• Сайт Уфимского кванто-химического общества. Лекция № 13 «Электронная корреляция»

См. такжеПравить

• Электронная плотность
• Одноэлектронная химическая связь
• Двухэлектронная трёхцентровая химическая связь
• W-функция Ламберта
• Молекула водорода