이원자 분자

이원자 분자 디니트로겐의 공간 채우기 모델, N₂

이원자 분자(그리스어 di-'2'에서 유래)는 같거나 다른 화학 원소의 두 원자로만 구성된 분자입니다.만약 이원자 분자가 수소와 같은 같은 원소의 두 개의 원자로 구성되어 있다면.H₂) 또는 산소(O₂)는 동핵이라고 한다.그렇지 않으면, 만약 이원자 분자가 일산화탄소(CO)나 일산화질소(NO)와 같은 두 개의 다른 원자로 구성되어 있다면, 그 분자는 이종핵이라고 한다.동핵 2원자 분자의 결합은 비극성이다.

전형적인 실험실 조건에서 동핵 이원자 분자로 존재하는 원소를 보여주는 주기율표.

표준 온도 및 압력(STP)에서 안정적인 동핵 이원자 분자를 형성하는 유일한 화학 원소는 수소(H₂), 질소(N₂), 산소(O₂), 불소(F₂), 염소(Cl₂)^[1] 가스이다.

희가스(헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논, 라돈)도 STP의 가스이지만 단원자입니다.동핵 2원자 가스와 귀한 가스는 화학 ^[2]화합물인 다른 가스와 구별하기 위해 "원소 가스" 또는 "분자 가스"라고 불립니다.

약간 높은 온도에서는 할로겐 브롬(Br₂)과 요오드(I₂)도 2원자 ^[3]가스를 형성한다.모든 할로겐은 불확실한 아스타틴과 테네신을 제외하고 이원자 분자로 관찰되었다.

다른 원소들은 증발하면 2원자 분자를 형성하지만, 이 2원자 종들은 냉각되면 다시 중합된다.가열("균열") 원소 인은 이인(P₂)을 생성합니다.유황 증기는 대부분 이황(S₂)입니다.기체상으로는 딜리튬₂(Li)과 이나트륨₂(^[4]Na)이 알려져 있다.디퉁스텐(W₂)과 디몰리브덴(Mo₂)은 기상에서 6중 결합으로 형성된다.디루비듐(Rb₂)은 이원자이다.

이종핵분자

다른 모든 이원자 분자는 두 가지 다른 원소의 화합물이다.온도와 압력에 따라 많은 원소들이 결합하여 이종핵 이원자 분자를 형성할 수 있다.

일산화탄소(CO), 산화질소(NO), 염화수소(HCl) 등이 그 예입니다.

많은 1:1 이원성 화합물은 상온에서 고분자이기 때문에 보통 이원자로 간주되지 않지만, 기체 MgO, SiO 및 많은 다른 것들과 같이 증발할 때 이원자 분자를 형성합니다.

발생.

지구 환경, 실험실, 그리고 성간 공간에서 수백 개의 이원자 분자가 확인되었다^[5].지구 대기의 약 99%는 질소(78%)와 산소(21%) 두 종류의 이원자 분자로 구성되어 있다.지구 대기 중 수소(H₂)의 자연적 풍부함은 단지 백만분의 일 수준이지만₂, H는 우주에서 가장 풍부한 이원자 분자입니다.성간 매질은 수소 원자에 의해 지배된다.

분자 기하학

모든 이원자 분자는 선형이며 두 원자 사이의 결합 길이 또는 거리인 단일 매개변수에 의해 특징지어집니다.2원자 질소는 3중 결합, 2원자 산소는 2중 결합, 2원자 수소, 불소, 염소, 요오드, 브롬은 모두 단일 ^[6]결합을 가지고 있다.

역사적 의의

수소, 산소, 질소와 같은 가장 일반적인 원소들 중 일부가 이원자 분자로 발생하기 때문에, 이원자 원소는 19세기에 원소, 원자, 분자의 개념을 설명하는 데 중요한 역할을 했다.John Dalton의 원래 원자 가설은 모든 원소가 단원자이며 화합물 내의 원자들이 보통 서로에 대해 가장 단순한 원자비를 가질 것이라고 가정했다.예를 들어, Dalton은 물의 공식은 HO라고 가정했고, 산소의 원자량은 ^[7]수소의 8배이며, 현대 값인 약 16배 대신에 수소의 8배입니다.그 결과, 원자량과 분자식에 관한 혼란이 약 반세기 동안 존재했다.

1805년 초, Gay-Lussac과 von Humboldt는 물이 두 개의 수소 부피와 하나의 산소 부피로 형성된다는 것을 보여주었고, 1811년에 Amedeo Avogadro는 현재 아보가드로의 법칙과 이원자 원소 분자의 가정에 기초하여 물의 조성에 대한 올바른 해석에 도달했다.그러나, 이러한 결과는 1860년까지 대부분 무시되었는데, 이는 한 원소의 원자가 같은 원자의 원자에 대해 화학적 친화력을 가지지 않을 것이라는 믿음과 또한 부분적으로 분자를 분리하는 측면에서 나중에 설명되지 않은 아보가드로의 법칙에 대한 명백한 예외 때문이다.

1860년 칼스루에 회의에서 카니차로는 아보가드로의 아이디어를 부활시켜 현대 가치에 대부분 부합하는 일관된 원자량 표를 만들기 위해 사용했다.이러한 가중치는 드미트리 멘델레예프와 로타 ^[8]마이어가 주기 법칙을 발견하는 데 중요한 전제 조건이었다.

들뜬 전자 상태

이원자 분자는 일반적으로 가장 낮은 상태 또는 접지 상태에 있으며, 이는 일반적으로 X $(\displaystyle$ X $)$ $X$ 로 $X$ 알려져 있습니다.이원자 분자의 가스가 에너지 전자에 의해 폭발할 때, 일부 분자는 예를 들어 자연 오로라, 고공 핵 폭발, 로켓으로 운반되는 전자총 ^[9]실험과 같이 더 높은 전자 상태로 흥분할 수 있습니다.이러한 들뜸은 가스가 빛이나 다른 전자파 방사선을 흡수할 때도 발생할 수 있습니다.들뜬 상태는 불안정하고 자연스럽게 그라운드 상태로 돌아갑니다.들뜸 후의 다양한 짧은 시간 척도(일반적으로 몇 초 또는 들뜸 상태가 전이 가능한 경우 때로는 몇 초보다 긴 시간)에 걸쳐 높은 전자 상태에서 낮은 전자 상태로, 그리고 궁극적으로 접지 상태로 전환이 발생하고, 각 전환 결과에서 광자가 방출된다.이 방출은 형광으로 알려져 있다.연속적으로 상위 전자 상태는 통상 A $(\displaystyle$ A $A$ $B$ $(\displaystyle$ B $B$ $C$ $(\displaystyle$ C $C$ 등으로 $A$ 됩니다(단, 이 규칙을 항상 따르는 것은 아닙니다.아래 예시와 같이 소문자와 알파벳 순으로 정렬되지 않은 문자가 사용될 수도 있습니다).여기 에너지가 전자 상태의 에너지보다 크거나 같아야 여기 에너지가 발생합니다.

양자 이론에서, 2원자 분자의 전자 상태는 분자 용어 기호로 나타난다.

^{2S+1}\Lambda(v)_{(g/u)}^{+/-}

$S$ 서 S $(\displaystyle$ S $)$ 는 $S$ 총 전자 스핀 양자수, $\Lambda$ $δ$ (\ $displaystyle \Lambda)$ 는 $\Lambda$ 핵간 축을 따른 총 전자 각운동량 양자수, v $(\displaystyle$ v $)$ 는 $v$ 진동 양자수이다. $λ$ \ $displaystyle$ \ Lambda $\Lambda$ } 0 、 $\Sigma$ $π$ \ $displaystyle$ \ $\Sigma$ Sigma $}$ $、 style$ \ displaystyle $\Pi$ \ $\Delta$ $、$ δ 、 $style$ \ $\Delta$ $\Sigma$ $\Delta$ 、 display display 0 0 0 0 0 、 0 、 1, 2, ... 。예를 들어, 다음 표에는 지구 ^[10]대기에 가장 풍부한 가스인 이원자 질소(N₂)의 가장 낮은 진동 수준( $v=0$ $=$ $v=0$ { $displaystyle$ v $=0$ 의 에너지와 함께 일반적인 전자 상태(진동 양자 수 없음)가 나열되어 있습니다.

$(\displaystyle\Lambda)$ 뒤의 $\Lambda$ 첨자 및 위 첨자는 전자 상태에 대한 양자역학적 세부사항을 제공합니다.위 $첨자$ +(\displaystyle $+$ $+)$ $또는$ -(\displaystyle $-$ $-$ $)$ 는 핵간 축을 포함하는 평면에서의 반사가 파동 함수에 신호 변화를 가져올지 여부를 결정합니다 $-$ . $서브스크립트$ g $또는$ u ${displaystyle$ u}는 $g$ $u$ 동일한 원자의 분자에 적용되며 분자축에 수직인 평면을 따라 상태를 반영할 때 변화하지 않는 상태는g{ $displaystyle$ g}(게레이드), 변화부호는 u ${displaystyle$ u}( $u$ unge)로 표기된다.레이드)

주	$T_{0}$ ( $T_{0}$ 0 { $displaystyle T_{0$ , cm⁻¹ )
$X^{1}\Sigma _{g}^{+$	0.0
$({displaystyle A^{3}\Sigma_{u}^{+})$	49754.8
$B^{3}\Pi _{g}$	59306.8
$W^{3}\Delta _{u}$	59380.2
$({displaystyle B'^{3}\Sigma_{u}^{-})$	65851.3
$({displaystyle a'^{1}\Sigma_{u}^{-})$	67739.3
$a^{1}\Pi _{g}$	68951.2
$w^{1}\Delta _{u}$	71698.4

^ 여기서 "에너지" 단위는 사실 가장 낮은 에너지 상태로 이행할 때 방출되는 광자의 파장의 역수입니다.실제 에너지는 주어진 통계량에 c(빛 속도)와 h(플랑크 상수)의 곱(즉, 약 1.99 × 10⁻²⁵ 줄 미터)을 곱한 다음 cm에서⁻¹ m으로⁻¹ 변환하기 위해 100을 더 곱하여 구할 수 있다.

앞서 언급한 형광은 "방출 대역"이라고 불리는 전자기 스펙트럼의 다른 영역에서 발생합니다. 각 대역은 높은 전자 상태 및 진동 수준에서 낮은 전자 상태 및 진동 수준으로의 특정 전환에 해당합니다(일반적으로 많은 진동 수준은 이원자 모드의 들뜬 가스에 관여합니다).분자)예를 들어 $(\displaystyle$ A $A$ - $(\displaystyle$ X $)$ 방출 $X$ 대역(일명.k.a)입니다₂.베가드-카플란 대역)은 0.14~1.45μm(마이크로미터)^[9]의 스펙트럼 범위에 존재한다.특정 밴드 수 나노 미터에 전자기 파장 우주에 분자의 회전 양자 수, J{J\displaystyle}에서 발생하는 다양한 전환 때문에 어렵다 이러한 뚜렷한 서브 밴드 분야로 분류된다, J의 변화에{J\displaystyle} R{\displaystyle .[11] 따라 다르게 전염될 수 있다.R} 브랜치는 $\Delta J=+1$ J $\Delta J=+1$ + $\Delta J=+1$ { $displaystyle$ \ $Delta$ J = + $1$ P { $displaystyle$ P} $P$ 는 $P$ $\Delta J=0$ J $\Delta J=-1$ - $\Delta J=-1$ { $displaystyle$ \ $Delta$ J = - $1$ $\Delta J=-1$ Q { $displaystyle$ Q} $Q$ 는 $Q$ $=$ $\Delta J=0$ { $displaystyle$ J $\Delta J=0$ 입니다.ed를 사용하여 스펙트럼을 측정합니다.스펙트럼 분해능은 계측기의 포인트 확산 기능에 따라 달라집니다.

에너지 수준

분자 용어 기호는 전자 분자 해밀턴의 고유 상태이기도 한 이원자 분자의 전자 양자 상태를 특징짓는 각 모멘타의 약어 표현입니다.질량이 없는 스프링으로 연결된 2점 질량으로 이원자 분자를 표현하는 것도 편리하고 일반적입니다.분자의 다양한 운동과 관련된 에너지는 세 가지 범주로 나눌 수 있다: 번역 에너지, 회전 에너지, 그리고 진동 에너지.

역사에 관해서는 1926년 루시 멘싱에 의해 양자역학에 의한 이원자 분자의 첫 번째 처리가 이루어졌다.^[12]

번역 에너지

분자의 변환 에너지는 운동 에너지 표현에 의해 주어진다.

E_{\text{trans}}=mv^{2}

$m$ 서 $m$ m {\ $displaystyle$ m $}$ 은 분자의 $v$ 이고v {\ $displaystyle$ v $}$ 는 $v$ 분자의 속도입니다.

회전 에너지

고전적으로, 회전의 운동 에너지는

{\displaystyle E_{\text{rot}} = flac {L^{2}} {2}I}}},

어디에

L\,

L

(

L

)

은

L \,

각운동량입니다.

나는

분자의 관성 순간이다.

분자와 같은 미시적인 원자 수준 시스템의 경우, 각 운동량은 특정한 이산 값만 가질 수 있습니다.

L^{2}=\ell (\ell +1)\hbar ^{2},

여기서

\ell

{

displaystyle \ell}

은

\ell

음이 아닌 정수이고

\hbar

{\

displaystyle \hbar}

는

\hbar

플랑크 상수입니다.

또한, 이원자 분자의 관성 모멘트는

{{displaystyle I=\mu r_{0}^{2},}

어디에

\mu \,

μ

(\

)는

\mu \,

분자의 질량을 줄이고,

r_{0}\,

0

displaystyle r_{0})

은

r_{{0}}\,

분자 내 두 원자의 중심 사이의 평균 거리입니다.

따라서 각 운동량과 관성 모멘트를 E로_rot 대체하면 이원자 분자의 회전 에너지 수준은 다음과 같이 계산된다.

E_{\text{rot}=blac {l(l+1)\hbar ^{2}}{2\mu r_{0}^2}\\ \ \ l = 0,1,2,...,

진동 에너지

이원자 분자의 또 다른 운동 유형은 각 원자가 두 원자를 연결하는 선을 따라 진동하는 것입니다.진동 에너지는 양자 고조파 발진기와 거의 같습니다.

\displaystyle E_{\text{vib}}=\left(n+{\frac {1}{2}}\right)\hbar \obega \\\\n=0,1,2,....,}

어디에

\displaystyle

n은

n

정수입니다.

θ {\displaystyle

\hbar

}

는

\hbar

플랑크 상수의 환산값이며,

{\

{

displaystyle

\obega

\omega

}는

\omega

진동의 각진동수입니다.

회전 에너지 간격과 진동 에너지 간격의 비교

진동 에너지 수준 사이의 일반적인 스펙트럼 변환 간격과 에너지는 회전 에너지 수준 간의 일반적인 전환 간격보다 약 100배 크다.

훈드 케이스

이원자 분자에 대한 좋은 양자 수뿐만 아니라 회전 에너지 수준의 좋은 근사치는 Hund의 경우를 사용하여 분자를 모델링함으로써 얻을 수 있다.

기억력

"Brinklehof",^[13] HONClBr로 발음되는 니모닉스 BrINCLHOFIF, "Honkelbrif"^[14] 및 HOFBr호프브링클(Hofbrinkle)로 발음되는 INCl은 이원자 원소 목록을 기억하기 위해 만들어졌다.영어를 사용하는 사람들을 위한 또 다른 방법은 질소, 수소, 불소, 산소, 요오드, 염소, 브롬을 나타내는 "Never Have Fear of Ice Cold Beer"라는 문장이다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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^ ^a ^b Gilmore, Forrest R.; Laher, Russ R.; Espy, Patrick J. (1992). "Franck-Condon Factors, r-Centroids, Electronic Transition Moments, and Einstein Coefficients for Many Nitrogen and Oxygen Band Systems". Journal of Physical and Chemical Reference Data. 21 (5): 1005–1107. Bibcode:1992JPCRD..21.1005G. doi:10.1063/1.555910. Archived from the original on 9 July 2017.
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^ "Mnemonic BrINClHOF (pronounced Brinklehoff) in Chemistry". Retrieved 1 June 2019.
^ Sherman, Alan (1992). Chemistry and Our Changing World. Prentice Hall. p. 82. ISBN 9780131315419.

추가 정보

Huber, K. P.; Herzberg, G. (1979). Molecular Spectra and Molecular Structure IV. Constants of Diatomic Molecules. New York: Van Nostrand: Reinhold.
Tipler, Paul (1998). Physics For Scientists and Engineers: Vol. 1 (4th ed.). W. H. Freeman. ISBN 1-57259-491-8.

외부 링크

초물리학 – 강체 회전자 분자의 회전 스펙트럼
하이퍼 물리 – 양자 고조파 발진기
3D 화학 – 화학, 구조 및 3D 분자
IUMSC – Indiana University Molecular Structure Center (인디아나 대학 분자구조센터)

[11] 여기서 "에너지" 단위는 사실 가장 낮은 에너지 상태로 이행할 때 방출되는 광자의 파장의 역수입니다.실제 에너지는 주어진 통계량에 c(빛 속도)와 h(플랑크 상수)의 곱(즉, 약 1.99 × 10⁻²⁵ 줄 미터)을 곱한 다음 cm에서⁻¹ m으로⁻¹ 변환하기 위해 100을 더 곱하여 구할 수 있다.

[1] Hammond, C.R. (2012). "Section 4: Properties of the Elements and Inorganic Compounds" (PDF). Handbook of Chemistry and Physics.^{[영구 데드링크]}

[2] Emsley, J. (1989). The Elements. Oxford: Clarendon Press. pp. 22–23.

[Chemistry-3] Whitten, Kenneth W.; Davis, Raymond E.; Peck, M. Larry; Stanley, George G. (2010). Chemistry (9th ed.). Brooks/Cole, Cengage Learning. pp. 337–338. ISBN 9780495391630.

[4] Lu, Z.W.; Wang, Q.; He, W.M.; Ma, Z.G. (July 1996). "New parametric emissions in diatomic sodium molecules". Applied Physics B. 63 (1): 43–46. Bibcode:1996ApPhB..63...43L. doi:10.1007/BF01112836. S2CID 120378643.

[5] Huber, K. P.; Herzberg, G. (1979). Molecular Spectra and Molecular Structure IV. Constants of Diatomic Molecules. New York: Van Nostrand: Reinhold. ISBN 978-0-442-23394-5.

[6] Brown, Catrin; Ford, Mike (2014). Standard Level Chemistry (2nd ed.). Prentice Hall. pp. 123–125. ISBN 9781447959069.

[7] Langford, Cooper Harold; Beebe, Ralph Alonzo (1 January 1995). The Development of Chemical Principles. Courier Corporation. ISBN 9780486683591.

[8] Ihde, Aaron J. (1961). "The Karlsruhe Congress: A centennial retrospective". Journal of Chemical Education. 38 (2): 83–86. Bibcode:1961JChEd..38...83I. doi:10.1021/ed038p83. Archived from the original on 28 September 2007. Retrieved 24 August 2007.

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[13] Mensing, Lucy (1 November 1926). "Die Rotations-Schwingungsbanden nach der Quantenmechanik". Zeitschrift für Physik (in German). 36 (11): 814–823. Bibcode:1926ZPhy...36..814M. doi:10.1007/BF01400216. ISSN 0044-3328. S2CID 123240532.

[14] "Mnemonic BrINClHOF (pronounced Brinklehoff) in Chemistry". Retrieved 1 June 2019.

[sherman-15] Sherman, Alan (1992). Chemistry and Our Changing World. Prentice Hall. p. 82. ISBN 9780131315419.

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v t 분자 기하학
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코디네이션 넘버 2	선형 구부러졌다
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