Кіріспе
Сутегінің спиндік күйлері Молекулалық сутегі екі изомерлік түрде кездеседі, біреуі екі протонның ядролық спиндері параллель (ортосутек), екіншісі антипараллель (парасутек). Бұл екі түрді көбінесе спиндік изомерлер немесе ядролық спиндік изомерлер деп атайды. Парасутек ортосутекке қарағанда төмен энергиялы күйде болады. Бөлме температурасында және термодинамикалық тепе-теңдікте, жылулық қоздыру сутектің шамамен 75% ортосутек және 25% парасутек құрамында болуына себеп болады. Сутек төмен температурада сұйытылғанда, баяу және спонтанды түрде пара-көбікке айналады, бұл процесте бөлінетін энергия сақтау үшін маңызды. Өте төмен температурада таза парасутек алуға болады, бірақ қыздыру арқылы 75%-дан астам ортосутек құрамын алу мүмкін емес. Орто және парасутектің 50:50 қоспасын зертханада сұйық азот температурасында (77 К) темір(III) оксиді катализаторы арқылы өткізу арқылы немесе белсендірілген көмірдің қатысуымен 77 К температурасында 2-3 сағат сақтау арқылы жасауға болады. Катализатор болмаған жағдайда, газ фазасындағы парасутек бөлме температурасында қалыпты сутекке дейін демалуына бірнеше күн кетеді, ал органикалық еріткіштерде бірнеше сағат қабылдайды. Ортосутекке қарағанда парасутек төмен энергиялы, оның ең төменгі деңгейі J = 1. Орто және пара молекулаларының саны арасындағы қатынас стандартты температурада шамамен 3:1, мұнда көптеген айналу энергия деңгейлері толтырылады, бұл жылу энергиясының нәтижесінде орто түрін ұстануына себеп болады. Алайда, төмен температурада тек J = 0 деңгейі ғана маңызды түрде толтырылады, сондықтан пара түрі төмен температурада басым болады (шамамен 20 К-те 99,8%). Булану жолымен жұтылатын энергия 0,904 кДж/моль ғана. Нәтижесінде, пара түріне тепе-теңдікке келген орто сұйық сутегі қайнау арқылы маңызды шығындарға әкелетін жеткілікті энергияны бөліп шығарады. Айналу бөліну функциясы әдетте былай жазылады: Бірақ екі спиндік изомер тепе-теңдікте болмаған жағдайда, әрқайсысы үшін жеке бөліну функцияларын жазу тиімдірек: Ортосутектің бөліну функциясындағы 3 саны +1 спиндік күйге байланысты спиндік дегенерацияны көрсетеді; спиндік изомерлер арасындағы тепе-теңдік мүмкін болған жағдайда, осы дегенерация айырмасын ескеретін жалпы бөліну функциясын былай жазуға болады: Молярлық айналу энергиясы мен жылу сыйымдылықтары осы жағдайлардың кез келгені үшін: Мұнда көрсетілген графикте орто және парасутектің молярлық айналу энергиясы мен жылу сыйымдылықтары, сондай-ақ "қалыпты" орто:пара қатынасы (3:1) және тепе-теңдік қоспалары көрсетілген: Айналу күйлеріне наложен антисимметрия шектеулері болғандықтан, ортосутек төмен температурада айналу энергиясына ие, онда көбінесе барлық молекулалар J = 1 күйінде болады (симметриялық спин триплеті күйіндегі молекулалар төменгі, симметриялық айналу күйіне түсе алмайды) және триплет күйінің үш есе дегенерациясының нәтижесінде ядролық спин энтропиясына ие. Бұл қалдық энергия маңызды, өйткені айналу энергия деңгейлері салыстырмалы түрде кең аралықта орналасқан; температура бірліктерімен көрсетілген алғашқы екі деңгей арасындағы айырма : Бұл ортосутектің молярлық энергиясында көрінетін T = 0 қиылысуы. "Қалыпты" бөлме температурасындағы сутек 3:1 орто:пара қоспасы болғандықтан, оның төмен температурадағы молярлық қалдық айналу энергиясы (3/4) × 2Rθrot ≈ 1091 Дж/моль, бұл қалыпты сутектің қайнау энтальпиясынан сәл жоғары, 904 Дж/моль қайнау нүктесінде, Tb ≈ 20.369 К. Айта кетейік, парасутек пен қалыпты (3:1) сутектің қайнау нүктелері шамамен бірдей; парасутек үшін ∆Hvap ≈ 898 Дж/моль Tb ≈ 20.277 К, сондықтан ортосутектің барлық қалдық айналу энергиясы сұйық күйде сақталады. Алайда, ортосутек төмен температурада термодинамикалық тұрақсыз және спонтанды түрде парасутекке айналады. Бұл процесте табиғи деэкцитациялық сәулелену режимі болмайды, сондықтан синглет және триплет спин күйлерінің өзара түрленуін жеңілдететін катализатор болмаған жағдайда бұл процесс баяу жүреді. Молекулалық сутегінің екі түрін алғаш рет 1927 жылы Вернер Гейзенберг пен Фридрих Хунд ұсынды. Осы теориялық негіздемелерді ескере отырып, таза парасутекті алғаш рет 1929 жылы Пол Хартек пен Карл Фридрих Бонхоффер Кайзер Вильгельм физикалық химия және электрохимия институтында синтездеді. 1932 жылы Гейзенберг кванттық механиканы жасағаны үшін физика бойынша Нобель сыйлығын алғанда, "сутегінің аллотроптық формаларын" ашу оның ең маңызды қолданысы ретінде ерекшеленді. Парасутектің қасиеттері мен химиялық реактивтілігі бойынша келесі онжылдықта Элли Шваб Агаллидис пен Георг Мария Шваб жұмыстар жүргізді. Қазіргі заманда таза парасутекті вакуумда миллиметрлік қалыңдықтағы қатты парасутек үлгілерін (p-) жылдам осалдау арқылы алуға қол жеткізілді, олардың тамаша оптикалық қасиеттері бар.
Molecular hydrogen occurs in two isomeric forms, one with its two proton nuclear spins aligned parallel (orthohydrogen), the other with its two proton spins aligned antiparallel (parahydrogen). These two forms are often referred to as spin isomers or as nuclear spin isomers. Parahydrogen is in a lower energy state than is orthohydrogen. At room temperature and thermal equilibrium, thermal excitation causes hydrogen to consist of approximately 75% orthohydrogen and 25% parahydrogen. When hydrogen is liquified at low temperature, there is a slow spontaneous transition to a predominantly para ratio, with the released energy having implications for storage. Essentially pure parahydrogen form can be obtained at very low temperatures, but it is not possible to obtain a sample containing more than 75% orthohydrogen by heating. A mixture or 50:50 mixture of ortho and parahydrogen can be made in the laboratory by passing it over an iron(III) oxide catalyst at liquid nitrogen temperature (77 K) or by storing hydrogen at 77 K for 2–3 hours in the presence of activated charcoal. In the absence of a catalyst, gas phase parahydrogen takes days to relax to normal hydrogen at room temperature while it takes hours to do so in organic solvents. than the ortho form whose lowest level is J = 1. The ratio between numbers of ortho and para molecules is about 3:1 at standard temperature where many rotational energy levels are populated, favoring the ortho form as a result of thermal energy. However, at low temperatures only the J = 0 level is appreciably populated, so that the para form dominates at low temperatures (approximately 99.8% at 20 K). The heat of vaporization is only 0.904 kJ/mol. As a result, ortho liquid hydrogen equilibrating to the para form releases enough energy to cause significant loss by boiling. The rotational partition function is conventionally written as:
However, as long as the two spin isomers are not in equilibrium, it is more useful to write separate partition functions for each:
The factor of 3 in the partition function for orthohydrogen accounts for the spin degeneracy associated with the +1 spin state; when equilibrium between the spin isomers is possible, then a general partition function incorporating this degeneracy difference can be written as:
The molar rotational energies and heat capacities are derived for any of these cases from:
Plots shown here are molar rotational energies and heat capacities for ortho and parahydrogen, and the "normal" ortho:para ratio (3:1) and equilibrium mixtures:
Because of the antisymmetry imposed restriction on possible rotational states, orthohydrogen has residual rotational energy at low temperature wherein nearly all the molecules are in the J = 1 state (molecules in the symmetric spin triplet state cannot fall into the lowest, symmetric rotational state) and possesses nuclear spin entropy due to the triplet state's threefold degeneracy. The residual energy is significant because the rotational energy levels are relatively widely spaced in ; the gap between the first two levels when expressed in temperature units is twice the characteristic rotational temperature for :
This is the T = 0 intercept seen in the molar energy of orthohydrogen. Since "normal" room temperature hydrogen is a 3:1 ortho:para mixture, its molar residual rotational energy at low temperature is (3/4) × 2Rθrot ≈ 1091 J/mol, which is somewhat larger than the enthalpy of vaporization of normal hydrogen, 904 J/mol at the boiling point, Tb ≈ 20.369 K. Notably, the boiling points of parahydrogen and normal (3:1) hydrogen are nearly equal; for parahydrogen ∆Hvap ≈ 898 J/mol at Tb ≈ 20.277 K, and it follows that nearly all the residual rotational energy of orthohydrogen is retained in the liquid state. However, orthohydrogen is thermodynamically unstable at low temperatures and spontaneously converts into parahydrogen. This process lacks any natural de excitation radiation mode, so it is slow in the absence of a catalyst which can facilitate interconversion of the singlet and triplet spin states. The two forms of molecular hydrogen were first proposed by Werner Heisenberg and Friedrich Hund in 1927. Taking into account this theoretical framework, pure parahydrogen was first synthesized by Paul Harteck and Karl Friedrich Bonhoeffer in 1929 at the Kaiser Wilhelm Institute for Physical Chemistry and Electrochemistry. When Heisenberg was awarded the 1932 Nobel prize in physics for the creation of quantum mechanics, this discovery of the "allotropic forms of hydrogen" was singled out as its most noteworthy application. Further work on the properties and chemical reactivity of parahydrogen was carried out in the following decade by Elly Schwab Agallidis and Georg Maria Schwab. Modern isolation of pure parahydrogen has since been achieved using rapid in vacuum deposition of millimeters thick solid parahydrogen (p–) samples which are notable for their excellent optical qualities.
NMR және МРТ қолдану
Гидрогенациялау реакциялары кезінде парагидрогеннің артық мөлшері қолданылғанда (ортогидроген мен парагидрогеннің қалыпты 3:1 арақатынасының орнына), алынған өнім протондық ЯМР спектрлерінде гиперполяризацияланған сигналдарды көрсетеді, бұл құбылыс PHIP (Парагидрогенмен туындаған поляризация) немесе, эквивалентті түрде, PASADENA (Парагидроген және синтез ядролық бағытты күрт арттырады; бұл эффектті алғаш рет таныған Калтехтің Боуэрс және Вайтекамп есімдерімен аталған) деп аталады. Бұл құбылыс гидрогенациялау реакцияларының механизмін зерттеу үшін қолданылады. Сигналды қайтымды алмасу арқылы күшейту (SABRE) – бұл үлгіні химиялық өзгеріске ұшыратпай-ақ гиперполяризациялауға мүмкіндік беретін әдіс. Ортосутек немесе органикалық молекулалармен салыстырғанда, парагидрогендегі сутек ядроларының әлдеқайда көп бөлігі қолданылатын магнит өрісімен сәйкестендіріледі. SABRE техникасында металл орталығы сынақ молекуласына да, парагидроген молекуласына да қайтымды байланысады, бұл мақсатты молекуланың парагидрогеннің поляризациясын қабылдауына жағдай жасайды. Бұл әдіс аммиак сияқты аралық "реттегіш" молекуланы пайдалану арқылы әртүрлі органикалық молекулалар үшін жақсартылып, қолданылуы мүмкін. Аммиак металл орталығына тиімді байланысады және парагидрогеннен поляризацияны қабылдайды. Содан кейін аммиак поляризацияны металл катализаторымен нашар байланысатын басқа молекулаларға беруге қабілетті. Бұл күшейтілген ЯМР сигналы өте аз мөлшердегі материалды жылдам талдауға мүмкіндік береді және магниттік резонанстық бейнелеуде қолдануға зор потенциалға ие.
Дютерий
Диатомдық дейтерий, диатомдық сутегі сияқты ядролық спин изомерлеріне ие, бірақ дейтерий ядросы (деутерон) ядролық спині бірге тең болатын бозон болғандықтан екі форманың саны әртүрлі. Екі ядроны алмастыруға қатысты орто немесе симметриялық алты ядролық спин толқындық функциясы, ал үш пара немесе антисимметриялық функциясы бар. Мәліметтер метилен (CH2) үшін де қолданылады. Олардың орто:пара қатынастары дигидрогеннен өзгеше. Судың орто және пара формалары жақында бөлініп алынды. Пара судың протондық ауысу реакциясында 25%-ға белсендірек екені анықталды. Молекулалық оттегі үш төмен энергиялы триплеттік күйде және бір синглеттік күйде бар, яғни негізгі күйдегі парамагниттік триплеттік оттегі және энергиямен толыққан, жоғары реакциялық диамагниттік синглеттік оттегі түрінде кездеседі. Бұл күйлер олардың протондарынан немесе ядроларынан емес, жұпталмаған электрондарының спинінен туындайды.