Молекулярный ион водорода

Молекулярный ион водорода — простейшая двухатомная молекула 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)^[1]. 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.^[2] Можно представить образование иона H₂⁺ как результат реакции атома водорода и протона:

H+ H⁺ → H₂⁺ + 61 ккал

или ионизацию молекулы водорода

H₂ → H₂⁺ + e — 357 ккал

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

H₂+ H⁺ → H₃⁺ + 70 ккал

или по биомолекулярной реакции

H₂⁺ + H₂ → [ H₄⁺ ]* → H₃⁺ + H + 1,1 эв.

через возбуждённый ион водорода H₄^+[3].

1. Молекулярный ион водорода H₂⁺ содержит два протона, заряженных положительно, и один электрон, заряженный отрицательно. Единственный электрон компенсирует электротатическое 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⁺

2. 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[4].

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.

Ссылки

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

См. также

• Электронная плотность
• Одноэлектронная химическая связь
• Двухэлектронная трёхцентровая химическая связь
• Кулоновская электронная корреляция

Примечания

1. ↑ Некрасов Б. В. Основы общей химии. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: «Химия», 1973. — Т. 1. — 656 с.
2. ↑ Химический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. — 1983, С. 645
3. ↑ Никитин Е. Е. Успехи химии. — 1969. — Т. XXXVIII. — 1153-1167 с.
4. ↑ Реферативный журнал химии. — 1983. — Т. 7Б131.