Molécula diatômica

Um modelo de enchimento espacial do dinitrogênio da molécula diatômica, N₂

Moléculas diatômicas (do grego di- 'dois') são moléculas compostas por apenas dois átomos, de elementos químicos iguais ou diferentes. Se uma molécula diatômica consiste em dois átomos do mesmo elemento, como hidrogênio (H₂) ou oxigênio (O₂), diz-se que é homonuclear. Caso contrário, se uma molécula diatômica consistir em dois átomos diferentes, como monóxido de carbono (CO) ou óxido nítrico (NO), diz-se que a molécula é heteronuclear. A ligação em uma molécula diatômica homonuclear é apolar.

Uma tabela periódica mostrando os elementos que existem como moléculas diatômicas homonucleares sob condições laboratoriais típicas.

Os únicos elementos químicos que formam moléculas diatômicas homonucleares estáveis em temperatura e pressão padrão (STP) (ou condições típicas de laboratório de 1 bar e 25 °C) são os gases hidrogênio (H₂), nitrogênio (N₂), oxigênio (O₂), flúor (F₂) e cloro (Cl₂).

Os gases nobres (hélio, neônio, argônio, criptônio, xenônio e radônio) também são gases em CNTP, mas são monoatômicos. Os gases diatômicos homonucleares e gases nobres juntos são chamados de "gases elementares" ou "gases moleculares", para distingui-los de outros gases que são compostos químicos.

Em temperaturas ligeiramente elevadas, os halogênios bromo (Br₂) e iodo (I₂) também formam gases diatômicos. Todos os halogênios foram observados como moléculas diatômicas, exceto para astatine e tennessine, que são incertos.

Outros elementos formam moléculas diatômicas quando evaporados, mas essas espécies diatômicas se repolimerizam quando resfriadas. O fósforo elementar de aquecimento ("cracking") fornece difósforo (P₂). O vapor de enxofre é principalmente dissulfureto (S₂). Dilítio (Li₂) e dissódio (Na₂) são conhecidos na fase gasosa. Ditungstênio (W₂) e dimolibdênio (Mo2) se formam com ligações sêxtuplas na fase gasosa. Dirubídio (Rb₂) é diatômico.

Moléculas heteronucleares

Todas as outras moléculas diatômicas são compostos químicos de dois elementos diferentes. Muitos elementos podem se combinar para formar moléculas diatômicas heteronucleares, dependendo da temperatura e da pressão.

Exemplos são os gases monóxido de carbono (CO), óxido nítrico (NO) e cloreto de hidrogênio (HCl).

Muitos compostos binários 1:1 normalmente não são considerados diatômicos porque são poliméricos à temperatura ambiente, mas formam moléculas diatômicas quando evaporados, por exemplo MgO gasoso, SiO e muitos outros.

Ocorrência

Centenas de moléculas diatômicas foram identificadas no ambiente da Terra, em laboratório e no espaço interestelar. Cerca de 99% da atmosfera da Terra é composta por duas espécies de moléculas diatômicas: nitrogênio (78%) e oxigênio (21%). A abundância natural de hidrogênio (H2) na atmosfera da Terra é apenas da ordem de partes por milhão, mas H₂ é a molécula diatômica mais abundante no universo. O meio interestelar é dominado por átomos de hidrogênio.

Geometria molecular

Todas as moléculas diatômicas são lineares e caracterizadas por um único parâmetro que é o comprimento da ligação ou a distância entre os dois átomos. O nitrogênio diatômico tem uma ligação tripla, o oxigênio diatômico tem uma ligação dupla e o hidrogênio diatômico, o flúor, o cloro, o iodo e o bromo têm ligações simples.

Significado histórico

Elementos diatômicos desempenharam um papel importante na elucidação dos conceitos de elemento, átomo e molécula no século XIX, porque alguns dos elementos mais comuns, como hidrogênio, oxigênio e nitrogênio, ocorrem como moléculas diatômicas. A hipótese atômica original de John Dalton assumiu que todos os elementos eram monoatômicos e que os átomos em compostos normalmente teriam as proporções atômicas mais simples entre si. Por exemplo, Dalton assumiu a fórmula da água como sendo HO, dando o peso atômico do oxigênio como oito vezes o do hidrogênio, em vez do valor moderno de cerca de 16. Como consequência, existia confusão em relação aos pesos atômicos e fórmulas moleculares para cerca de meio século.

Já em 1805, Gay-Lussac e von Humboldt mostraram que a água é formada por dois volumes de hidrogênio e um volume de oxigênio, e em 1811 Amedeo Avogadro chegou à interpretação correta da composição da água, com base no que agora é chamado de lei de Avogadro e a hipótese de moléculas elementares diatômicas. No entanto, esses resultados foram ignorados até 1860, em parte devido à crença de que átomos de um elemento não teriam afinidade química com átomos do mesmo elemento, e também em parte devido a aparentes exceções à lei de Avogadro que não foram explicadas. até mais tarde em termos de dissociação de moléculas.

No Congresso de Karlsruhe de 1860 sobre pesos atômicos, Cannizzaro ressuscitou as ideias de Avogadro e as usou para produzir uma tabela consistente de pesos atômicos, que concordam principalmente com os valores modernos. Esses pesos foram um pré-requisito importante para a descoberta da lei periódica por Dmitri Mendeleev e Lothar Meyer.

Estados eletrônicos excitados

As moléculas diatômicas estão normalmente em seu estado mais baixo ou terrestre, que convencionalmente também é conhecido como o X- Sim. Estado. Quando um gás de moléculas diatômicas é bombardeado por elétrons energéticos, algumas das moléculas podem ser animadas para estados eletrônicos mais elevados, como ocorre, por exemplo, na aurora natural; explosões nucleares de alta altitude; e experimentos de pistola eletrônica de foguetes. Tal excitação também pode ocorrer quando o gás absorve luz ou outra radiação eletromagnética. Os estados excitados são instáveis e naturalmente relaxam de volta ao estado do solo. Ao longo de várias escalas de curto prazo após a excitação (tipicamente uma fração de um segundo, ou às vezes mais longa do que um segundo se o estado excitado é metálica), as transições ocorrem de estados eletrônicos mais altos para menores e, finalmente, para o estado do solo, e em cada transição resulta que um fóton é emitido. Esta emissão é conhecida como fluorescência. Estados eletrônicos bem mais elevados são nomeados convencionalmente ANão. A., BNão., CNão. C., etc. (mas esta convenção nem sempre é seguida, e às vezes letras maiúsculas e letras alfabeticamente fora da sequência são usadas, como no exemplo dado abaixo). A energia de excitação deve ser maior ou igual à energia do estado eletrônico para que a excitação ocorra.

Na teoria quântica, um estado eletrônico de uma molécula diatômica é representado pelo símbolo do termo molecular

2S+1:: (v)(g/u)+/- Sim. - Sim. {displaystyle ^{2S+1}Lambda (v)_{(g/u)}^{+/-}}

Onde? SNão. S. é o número quântico de rotação eletrônico total, :: - Sim. é o número quântico de impulso angular eletrônico total ao longo do eixo internuclear, e vNão. é o número quântico vibracional. :: - Sim. assume valores 0, 1, 2,..., que são representados pelos símbolos de estado eletrônico Σ Σ Não. Sim., D D - Sim., ? ? - Sim.,... Por exemplo, a tabela a seguir lista os estados eletrônicos comuns (sem números quânticos vibracionais) juntamente com a energia do menor nível vibracional (v= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0- Sim.) de nitrogênio diatômico (N)₂), o gás mais abundante na atmosfera da Terra.

Os subscritos e superscritos após :: - Sim. dar detalhes quânticos adicionais sobre o estado eletrônico. O superscrito +Sim. ou - Sim. - Sim. - Sim. determina se a reflexão em um plano contendo o eixo internuclear introduz uma mudança de sinal na função de onda. O sub-escrito gNão. ou uNão. aplica-se a moléculas de átomos idênticos, e ao refletir o estado ao longo de um perpendicualr plano ao eixo molecular, estados que não mudam são rotulados gNão. (gerade) e afirma que o sinal de mudança é rotulado uNão. (ungerade).

Estado	Energia (T0Não. T_{0}}, cm- Sim.)
X1Σ Σ g+Não. X^{1} Sigma _{g}^{+}}	0,0
A3Σ Σ u+Não. A^{3}Sigma _{u}^{+}}	4975.
B3D D g{displaystyle B^{3}} Pi _{g}}	59306.
W3? ? uNão. W^{3}Delta _{u}}	59380.2
B?3Σ Σ u- Sim. - Sim. {displaystyle B'^{3}Sigma _{u}^{-}}	65851.3
um?1Σ Σ u- Sim. - Sim. {displaystyle a'^{1} Sigma _{u}^{-}}	67739.3
um1D D g{displaystyle a^{1} Pi _{g}}	6895.
O quê?1? ? u{displaystyle w^{1}Delta _{u}}	71698.4

A fluorescência acima mencionada ocorre em regiões distintas do espectro eletromagnético, chamada "bandas de emissão": cada banda corresponde a uma transição particular de um estado eletrônico superior e nível vibracional para um estado eletrônico inferior e nível vibracional (tipicamente, muitos níveis vibracionais estão envolvidos em um gás excitado de moléculas diatômicas). Por exemplo, N₂ ANão. A.- Não.X- Sim. Bandas de emissão (a.k.a. Bandas Vegard-Kaplan) estão presentes na faixa espectral de 0,14 a 1.45 μm (micrometres). Uma dada banda pode ser espalhada por vários nanometros no espaço de comprimento de onda eletromagnético, devido às várias transições que ocorrem no número quântico rotacional da molécula, JJNão.. Estes são classificados em ramos sub-band distintos, dependendo da mudança em JJNão.. O RNão. R. ramo corresponde a ? ? JJ= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =+1Não. Delta J=+1, o PNão. P. ramo para ? ? JJ= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =- Sim. - Sim. 1Não. Delta J=-1, e QNão. ramo para ? ? JJ= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0Não. Delta J=0. As bandas são espalhadas ainda mais pela resolução espectral limitada do espectrômetro que é usado para medir o espectro. A resolução espectral depende da função de propagação do ponto do instrumento.

Níveis de energia

O símbolo do termo molecular é uma expressão abreviada dos momentos angulares que caracterizam os estados quânticos eletrônicos de uma molécula diatômica, que também são autoestados do hamiltoniano molecular eletrônico. Também é conveniente e comum representar uma molécula diatômica como massas de dois pontos conectadas por uma mola sem massa. As energias envolvidas nos vários movimentos da molécula podem então ser divididas em três categorias: as energias translacional, rotacional e vibracional.

Em relação à história, o primeiro tratamento de moléculas diatômicas com a mecânica quântica foi feito por Lucy Mensing em 1926.

Energias translacionais

A energia translacional da molécula é dada pela expressão da energia cinética:

Etrans= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =12mv2E_{text{trans}}={frac {1}{2}}mv^{2}}

Onde? mNão. é a massa da molécula e vNão. é a sua velocidade.

Energias rotacionais

Classicamente, a energia cinética de rotação é

EApodrecer= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =L22Eu...{displaystyle E_{text{rot}}={frac {L^{2}}{2I}},}

Onde?

LNão. L, é o impulso angular

Eu...Não. Eu... é o momento da inércia da molécula

Para sistemas microscópicos e de nível atômico, como uma molécula, o momento angular pode ter apenas valores discretos específicos fornecidos por

L2= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Eu... Eu... (Eu... Eu... +1)? ? 2Não. L^{2}=ell (ell +1)hbar ^{2},}

Onde? Eu... Eu... - Sim. é um inteiro não negativo e ? ? - Sim. é a constante de Planck reduzida.

Além disso, para uma molécula diatômica, o momento de inércia é

Eu...= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =μ μ R02Não. Eu sei. r_{0}^{2},}

Onde?

μ μ {displaystyle mu ,} é a massa reduzida da molécula e

R0Não. r_{0},} é a distância média entre os centros dos dois átomos na molécula.

Assim, substituindo o momento angular e o momento de inércia em E_rot, os níveis de energia rotacional de uma molécula diatômica são dados por:

EApodrecer= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =Eu...(Eu...+1)? ? 22μ μ R02Eu...= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0,1,2,...{displaystyle E_{text{rot}}={frac {l(l+1)hbar ^{2}}{2mu r_{0}^{2}}} l=0,1,2,...,}

Energias vibracionais

Outro tipo de movimento de uma molécula diatômica é cada átomo oscilar — ou vibrar — ao longo da linha que liga os dois átomos. A energia vibracional é aproximadamente a de um oscilador harmônico quântico:

EVíbora= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =(n+12)? ? ω ω n= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =0,1,2,....{displaystyle E_{text{vib}}=left(n+{frac {1}{2}}right)hbar omega n=0,1,2,...,}

Onde?

nNão. é um inteiro

? ? - Sim. é a constante de Planck reduzida e

ω ω - Sim. é a frequência angular da vibração.

Comparação entre espaçamentos de energia rotacional e vibracional

O espaçamento e a energia de uma transição espectroscópica típica entre os níveis de energia vibracional é cerca de 100 vezes maior do que o de uma transição típica entre os níveis de energia rotacional.

Casos de Hund

Os bons números quânticos para uma molécula diatômica, bem como boas aproximações dos níveis de energia rotacional, podem ser obtidos modelando a molécula usando os casos de Hund.

Mnemônicos

Os mnemônicos BrINClHOF, pronunciado "Brinklehof", HONClBrIF, pronunciado "Honkelbrif" e HOFBrINCl, pronunciado "Hofbrinkle", foram cunhados para ajudar a recordar a lista de elementos diatômicos. Outro método, para falantes de inglês, é a frase: "Nunca tenha medo de cerveja gelada" como uma representação de nitrogênio, hidrogênio, flúor, oxigênio, iodo, cloro, bromo.