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氢分子离子

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氢分子离子
识别
CAS号 12184-90-6  checkY
性质
化学式 H+
2
摩尔质量 2.02 g·mol⁻¹
若非注明,所有数据均出自标准状态(25 ℃,100 kPa)下。

氢分子离子H+
2
),又称双氢离子,是最简单的分子离子,由两个质子和一个电子组成。[1]:99 它可以由一个中性的氢分子电离而成。由于宇宙射线分子云中经常形成这种离子。 因为它只有一个电子,化学界对它兴趣很大。描述其结构的量子力学方程可以以相对简单的方式得到解。1927年(量子力学中的波理论发表仅一年后),Øyvind Burrau首次将其解出。根据广义Lambert W函数确定的能量精确解[2][3]

物理性质

H+
2
中的键可以被描述为共价单电子键,形式上拥有0.5的键级[4]

离子的基态能量为-0.597 哈特里能量[5]

同位素体

氢分子离子拥有六种同位素体,这来自氢其他同位素的原子核——即氘核2
H+)或氚核3
H+)——对一或两个质子(氕核)的取代。[6][7]

  • H+
    2
    = 1
    H+
    2
    (最常见)[6][7]
  • [DH]+ = [2
    H1
    H]+(氘氢离子)[6]
  • D+
    2
    = 2
    H+
    2
    (双氘离子)[6][7]
  • [TH]+ = [3
    H1
    H]+(氚氢离子)
  • [TD]+ = [3
    H2
    H]+(氚氘离子)
  • T+
    2
    = 3
    H+
    2
    (双氚离子)[7]

量子力学分析

空间存在

形式

宇宙中,射线与氢分子的作用可以产生氢分子离子。此过程中,氢分子中的一个电子会脱离原结构,留下一个氢分子离子。[8]

H2 + 宇宙射线 → H+
2
+ e + 宇宙射线

宇宙射线中的粒子带有足够大的能量,停止前可以将许多氢分子转化为离子。

氢分子的电离能为15.603 eV。高速电子也会导致氢分子的电离,其峰值截面约为50 eV。高速质子所致电离的峰值截面为70000 eV,截面为2.5×10−16 cm2。宇宙射线中的低能质子也可以将电子从中性氢分子中剥离,由此产生一个中性氢原子和一个氢分子离子(p+ + H2 → H + H+
2
),峰值截面约为8×10−16 cm2中的8000 eV[9]

消失

氢分子离子会与其他氢分子碰撞而自然消失:

H+
2
+ H2H+
3
+ H


参见

参考资料

  1. ^ David W. Oxtoby, H.P. Gillis, Alan Campion. Principles of Modern Chemistry, Seventh Edition. United States of America: Engage Learning. 2012. ISBN 9780840049315. 
  2. ^ Scott, T. C.; Dalgarno, A.; Morgan, J. D., III. Exchange Energy of H+
    2
    Calculated from Polarization Perturbation Theory and the Holstein-Herring Method. Phys. Rev. Lett. 1991, 67 (11): 1419–1422. Bibcode:1991PhRvL..67.1419S. PMID 10044142. doi:10.1103/PhysRevLett.67.1419.
     
  3. ^ Scott, T. C.; Aubert-Frécon, M.; Grotendorst, J. New Approach for the Electronic Energies of the Hydrogen Molecular Ion. Chem. Phys. 2006, 324 (2–3): 323–338. Bibcode:2006CP....324..323S. S2CID 623114. arXiv:physics/0607081可免费查阅. doi:10.1016/j.chemphys.2005.10.031. 
  4. ^ Clark R. Landis; Frank Weinhold. Valency and bonding: a natural bond orbital donor-acceptor perspective. Cambridge, UK: Cambridge University Press. 2005: 91–92. ISBN 978-0-521-83128-4. 
  5. ^ Bressanini, Dario; Mella, Massimo; Morosi, Gabriele. Nonadiabatic wavefunctions as linear expansions of correlated exponentials. A quantum Monte Carlo application to H2+ and Ps2. Chemical Physics Letters. 1997, 272 (5–6): 370–375. Bibcode:1997CPL...272..370B. doi:10.1016/S0009-2614(97)00571-X. 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 Fábri, Csaba; Czakó, Gábor; Tasi, Gyula; Császár, Attila G. Adiabatic Jacobi corrections on the vibrational energy levels of H+
    2
    isotopologues. Journal of Chemical Physics. 2009, 130 (13): 134314. PMID 19355739. doi:10.1063/1.3097327.
     
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 7.3 Scarlett, Liam H.; Zammit, Mark C.; Fursa, Dmitry V.; Bray, Igor. Kinetic-energy release of fragments from electron-impact dissociation of the molecular hydrogen ion and its isotopologues. Physical Review A. 2017, 96 (2): 022706. Bibcode:2017PhRvA..96b2706S. doi:10.1103/PhysRevA.96.022706可免费查阅. 
  8. ^ Herbst, E. The Astrochemistry of H+
    3
    . Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2000, 358 (1774): 2523–2534. S2CID 97131120. doi:10.1098/rsta.2000.0665.
     
  9. ^ Padovani, Marco; Galli, Daniele; Glassgold, Alfred E. Cosmic-ray ionization of molecular clouds. Astronomy & Astrophysics. 2009, 501 (2): 619–631. Bibcode:2009A&A...501..619P. S2CID 7897739. arXiv:0904.4149可免费查阅. doi:10.1051/0004-6361/200911794.