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3Dモデル（JSmol）
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CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| H3 | |
| モル質量 | 3.024 グラムモル−1 |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
インフォボックス参照
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三原子水素またはH 3は、水素のみを含む不安定な三原子分子です。この分子は水素原子を3つしか含まないため、最も単純な三原子分子[1]であり、粒子の量子力学記述を数値的に解くのは比較的簡単です。不安定なため、分子は100万分の1秒未満で分解します。その寿命は短いため希少ですが、三水素陽イオンの一般的さのおかげで、宇宙ではごく一般的に形成され、破壊されます。振動と回転によるH 3の赤外線スペクトルは、イオンHの赤外線スペクトルと非常に似ています。+
3初期の宇宙では、赤外線を放射するこの能力により、原始的な水素とヘリウムのガスが冷えて星が形成されることができました。
形成
中性分子は低圧ガス放電管内で形成される。[2]
H 3の中性ビームはHビームから形成できる。+
3イオンは気体カリウムを通過し、カリウムはイオンに電子を供与してK +を形成します。[3]セシウムなどの他の気体アルカリ金属も電子を供与するために使用できます。[4] H+
3低圧分子水素を通した放電によって、デュオプラズマトロンでイオンが作られる。これにより、一部のH 2 がHになる。+
2するとH 2 + H+
2 → ほ+
3+ H。この反応は発熱反応で、エネルギーは1.7 eVなので、生成されるイオンは高温で振動エネルギーが大きい。圧力が十分に高ければ、これらのイオンは低温のガスと衝突して冷却される。これは、フランク・コンドン原理に従って中和されると、強く振動するイオンが強く振動する中性分子を生成するため、重要である。[3]
別れる
H 3 は次のように分解されます。
- H3 → H+3+ e − [5]
- H 3 → H + H 2
- H 3 → 3 H
- 2 H 3 → 3 H 2
プロパティ
分子は励起状態でのみ存在できます。異なる励起電子状態は、外殻電子の記号 nLΓ で表されます。ここで、n は主量子数、L は電子角運動量、Γ は D 3hグループから選択された電子対称性です。コアの振動を示す括弧付きの追加の記号 {s,d l }を追加することもできます。ここで、s は対称伸縮、d は縮退モード、l は振動角運動量を表します。さらに、分子の回転を示す別の項 (N,G) を挿入することもできます。ここで、N は分子軸に投影された電子以外の角運動量、G は G=l+λ-K で決定される Hougen の便利な量子数です。回転状態は構成粒子がすべてフェルミオンであることによって制限されるため、これは多くの場合 (1,0) です。これらの状態の例としては、[5] 2sA 1 ' 3sA 1 ' 2pA 2 " 3dE' 3DE" 3dA 1 ' 3pE' 3pA 2 "があります。2p 2 A 2 "状態の寿命は700ナノ秒です。分子がエネルギーを失って反発基底状態に移行しようとすると、自発的に分解します。最もエネルギーの低い準安定状態である2sA 1 'は、 H+
3およびe −状態であるが、約1 psで崩壊する 。[5] 2p 2 E'と呼ばれる不安定な基底状態は、自発的にH 2分子とH原子に分解する。 [1]回転しない状態は、回転する分子よりも寿命が長い。[1]
周囲に電子が非局在化した三水素陽イオンの電子状態はリュードベリ状態である。[6]
外側の電子は高リュードベリ状態にブーストされ、エネルギーが2pA 2 "状態より29562.6 cm −1高い値に達するとイオン化することができ、その場合H+
3フォーム[7]
形
分子の形状は正三角形であると予測されています。[1]分子内での振動は2つの方法で発生します。1つは分子が正三角形の形状を保ったまま膨張と収縮することです（呼吸）、もう1つは1つの原子が他の原子に対して移動して三角形を歪めることです（曲げ）。曲げ振動は双極子モーメントを持ち、赤外線と結合します。[1]
スペクトラム
ゲルハルト・ヘルツベルクは、1979年に75歳で初めて中性H 3の分光線を発見した。後に彼は、この観測が彼のお気に入りの発見の1つであると発表した。 [8]この線は陰極放電管から生じた。[8]以前の観測者がH 3のスペクトル線をまったく見ることができなかったのは、はるかに豊富なH 2のスペクトルに圧倒されていたためである。重要な進歩は、H 3を分離して単独で観測できるようにしたことだ。分離には、質量分析法による陽イオンの分離が使用され、質量3のH 3 は質量2のH 2から分離できる。しかし、やはり質量3のHDによる汚染はまだ残っている。 [3] H 3 のスペクトルは、主に寿命の長い状態2p 2 A 2 "への遷移によるものである。スペクトルは、2段階の光イオン化法で測定できる。[1]
2s 2 A 1 ' 状態への遷移は、前期解離と呼ばれる非常に短い寿命の影響を受ける。関連するスペクトル線は広がる。[3]スペクトルには、PQおよびR分岐による回転によるバンドがある。R分岐はH 3 同位体では非常に弱いが、D 3 (三重水素)では強い。[3]
対称伸縮振動モードの波数は、3s 2 A 1 'レベルでは3213.1 cm −1、3d 2 E"レベルでは3168 cm −1、2p 2 A 2 "レベルでは3254 cm −1である。[1]曲げ振動周波数もHのものと非常によく似ている。+
3[1 ]
レベル
陽イオン
関連するH+
3イオンは星間空間で最も広く存在する分子イオンである。光子を容易に吸収・放出する能力により、宇宙の歴史において初期の星の冷却に重要な役割を果たしたと考えられている。[9]星間空間で最も重要な化学反応の1つはH+
3+ e − → H 3、そして→ H 2 + H. [6]
計算
分子は比較的単純なので、研究者は量子論から分子の特性を第一原理的に計算しようと試みてきました。ハートリー・フォック方程式が使用されました。[10]
自然発生
Hの中和中に三原子水素が形成される。+
3このイオンはHeやH 2以外のガスが存在すると中和され、電子を引き抜くことができる。そのため、木星と土星の電離層のオーロラではH 3が形成される。 [11]
歴史
JJトムソンはHを観察した+
3陽線実験中に発見された。彼は1911年頃からH3がイオン化したものだと信じていた。H3は安定した分子だと信じ、それについて執筆や講義を行った。彼は、H3を作る最も簡単な方法は水酸化カリウムを陰極線で狙うことだと述べた。[8] 1913年、ヨハネス・シュタルクは3つの水素原子核と電子が安定したリング形状を形成できると提唱した。1919年、ニールス・ボーアは3つの原子核が一直線に並び、3つの電子が中心の原子核の周りを円を描くように周回する構造を提唱した。彼はH+
3不安定になるが、反応するH−
2H +と組み合わせると中性のH 3 が得られる。 スタンレー・アレンの構造は、電子と原子核が交互に並んだ六角形の形状をしていた。[8]
1916年、アーサー・デンプスターはH 3ガスが不安定であることを示したが、同時に陽イオンが存在することも確認した。1917年、ジェラルド・ウェントとウィリアム・デュアンは、アルファ粒子にさらされた水素ガスの体積が収縮することを発見し、二原子水素が三原子に変化したと考えた。[8]この後、研究者は活性水素が三原子形態である可能性があると考えた。 [8 ]ジョセフ・レヴィンは、地球上の低気圧は大気圏上層部の三原子水素によって発生すると仮説を立てた。[8] 1920年、ウェントとランダウアーは、オゾンと通常の水素よりも反応性が高いことから、この物質を「ハイゾン」と名付けた。[12]それ以前に、ゴットフリート・ヴィルヘルム・オザンは、オゾンに類似した水素の形態を発見したと考え、「オゾンヴァッサーストフ」と名付けた。これは希硫酸の電気分解によって生成された。当時はオゾンが三原子であることは誰も知らなかったため、彼は三原子水素を発表しなかった。[13]これは後に二酸化硫黄との混合物であり、新しい形態の水素ではないことが示された。[12]
1930年代に活性水素は硫化水素汚染された水素であることが判明し、科学者は三原子水素の存在を信じなくなった。[8]量子力学計算により、中性H 3は不安定だが、イオン化したH+
3存在し得る。[8] 同位体の概念が登場すると、ボーアなどの人々は、原子量3のエカ水素が存在するかもしれないと考えた。この考えは後にトリチウムの存在によって証明されたが、それは質量分析計で分子量3が観測された理由の説明にはならなかった。[8] JJトムソンは後に、自分が観測した分子量3の分子は重水素であると信じた。[13]オリオン星雲では、星雲に起因する線が観測されたが、特にその原子量が3に近いと計算されたことから、これは新しい元素エカ水素であった可能性がある。後にこれはイオン化した窒素と酸素であることが示された。[8]
ゲルハルト・ヘルツベルクは中性H3のスペクトルを実際に観測した最初の人物であり、この三原子分子は、自身の基底状態が不安定な状態でリュードベリスペクトルが測定された最初の人物であった。[1]
参照
- 三原子水素のエネルギー特性を研究した最初の研究者の一人であるFMデヴィエンヌ
参考文献
- ^ abcdefghijk Lembo, LJ; H. Helm; DL Huestis (1989). 「 2段階光イオン化によるH 3分子の振動周波数の測定」. The Journal of Chemical Physics . 90 (10): 5299. Bibcode :1989JChPh..90.5299L. doi :10.1063/1.456434. ISSN 0021-9606.
- ^ Binder, JL; Filby, EA; Grubb, AC (1930). 「三原子水素」. Nature . 126 (3166): 11–12. Bibcode :1930Natur.126...11B. doi :10.1038/126011c0. S2CID 4142737.
- ^ abcde Figger、H.; W.ケッタール; H. ワルサー (1989)。 「三原子水素の分光法」。物理学 D のためのツァイシュリフト。13 (2): 129–137。Bibcode :1989ZPhyD..13..129F。土井：10.1007/bf01398582。ISSN 0178-7683。S2CID 124478004。
- ^ Laperle, Christopher M; Jennifer E Mann; Todd G Clements; Robert E Continetti (2005). 「H3 および D3 の低位リュードベリ状態の 3 体前解離ダイナミクスの実験的調査」. Journal of Physics: Conference Series . 4 (1): 111–117. Bibcode :2005JPhCS...4..111L. doi : 10.1088/1742-6596/4/1/015 . ISSN 1742-6588.
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- ^ ab Kragh、Helge (2011). 「物議を醸す分子: 三原子水素の初期の歴史」。ケンタウルス座。53 (4): 257–279。土井：10.1111/j.1600-0498.2011.00237.x。ISSN 0008-8994。
外部リンク
- CH グリーン: 「三原子水素のリュードベリ状態」
- とらえどころのない H3 分子 GlusteeXD 2009 (ユーモア)
- Ekesan , Solen; Kale , Seyit; Herzfeld, Judith (2014年5 月 5 日)。「原子イオンの生成のための転送可能な擬似古典的電子」。 計算化学ジャーナル。35 (15): 1159–1164。doi :10.1002/jcc.23612。PMC 4119322。PMID 24752384。
- Chakraborty, Romit; Mazziotti, David A. (2015 年10月5日)。「一般化パウリの排他原理による 1 電子縮減密度行列の構造」。International Journal of Quantum Chemistry。115 ( 19): 1305–1310。doi :10.1002/qua.24934。1電子縮約密度行列凸集合は、純粋なN表現可能集合の境界に固定される。
- Saykally, Richard J. (2015). 「H3 リュードベリ分子における中赤外線レーザー作用といくつかの考えられる天体物理学的影響」AIP 会議議事録. 1642 (1642): 413–415. Bibcode :2015AIPC.1642..413S. doi :10.1063/1.4906707. S2CID 18158497.H 3レーザーが初期宇宙に存在するかもしれないと予測する