Введение
Молекула, состоящая из любых двух атомов.
Диатомические молекулы – это молекулы, состоящие только из двух атомов, одинаковых или разных химических элементов. Если диатомическая молекула состоит из двух атомов одного и того же элемента, например, водорода (H2) или кислорода (O2), то она называется гомоядерной. В противном случае, если диатомическая молекула состоит из двух разных атомов, таких как монооксид углерода (CO) или оксид азота (NO), молекула считается гетероядерной. Связь в гомоядерной диатомической молекуле неполярна. Единственными химическими элементами, которые образуют стабильные гомоядерные диатомические молекулы при стандартной температуре и давлении (STP) (или при типичных лабораторных условиях 1 бар и 25 °C), являются газы водород (H2), азот (N2), кислород (O2), фтор (F2) и хлор (Cl2), а также жидкий бром (Br2). Благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) также являются газами при STP, но они одноатомные. Гомоядерные диатомические газы и благородные газы вместе называются «элементарными газами» или «молекулярными газами», чтобы отличить их от других газов, которые являются химическими соединениями. При незначительно повышенных температурах галогены бром (Br2) и йод (I2) также образуют диатомические газы. Все галогены наблюдались в виде диатомических молекул, за исключением астатина и теннессина, которые остаются неопределенными. Другие элементы образуют диатомические молекулы при испарении, но эти диатомические виды реполимеризуются при охлаждении. Нагрев («крекинг») элементарного фосфора дает дифосфор (P2). Пары серы в основном состоят из дисеры (S2). Дилитий (Li2) и динатрий (Na2) известны в газовой фазе. Дитунгстен (W2) и димолибден (Mo2) образуют связи шестой кратности в газовой фазе. Дирубидий (Rb2) является диатомическим.
Гетеронуклеарные молекулы
Все остальные двуатомные молекулы являются химическими соединениями двух разных элементов. Многие элементы могут соединяться с образованием гетеронуклеарных двуатомных молекул, в зависимости от температуры и давления. Примерами служат газы монооксид углерода (CO), оксид азота (NO) и хлороводород (HCl). Многие бинарные соединения с соотношением 1:1 обычно не рассматриваются как двуатомные, поскольку они полимерны при комнатной температуре, но образуют двуатомные молекулы при испарении, например, газообразные MgO, SiO и многие другие.
Возникновение
Сотни двуатомных молекул были идентифицированы в окружающей среде Земли, в лаборатории и в межзвездном пространстве. Около 99% атмосферы Земли состоит из двух видов двуатомных молекул: азота (78%) и кислорода (21%). Естественная концентрация водорода (H2) в атмосфере Земли составляет лишь порядка частей на миллион, но H2 является наиболее распространенной двуатомной молекулой во Вселенной. Межзвездная среда преимущественно состоит из атомов водорода.
Молекулярная геометрия
Все двухатомные молекулы линейны и характеризуются одним параметром – длиной связи, или расстоянием между двумя атомами. Двухатомный азот имеет тройную связь, двухатомный кислород – двойную связь, а двухатомный водород, фтор, хлор, йод и бром – одинарные связи.
Историческое значение
Диатомные элементы сыграли важную роль в разъяснении понятий элемента, атома и молекулы в XIX веке, поскольку некоторые из наиболее распространенных элементов, такие как водород, кислород и азот, существуют в виде двуатомных молекул. Изначальная атомная гипотеза Джона Далтона предполагала, что все элементы моноатомны и что атомы в соединениях обычно имеют самые простые атомные соотношения друг к другу. Например, Дальтон считал формулу воды HO, определяя атомный вес кислорода в восемь раз больше, чем у водорода, вместо современного значения, приблизительно равного 16. Как следствие, в течение примерно полувека существовала путаница в отношении атомных весов и молекулярных формул. Уже в 1805 году Гей-Люссак и фон Гумбольдт показали, что вода образуется из двух объемов водорода и одного объема кислорода, а к 1811 году Амедео Авогадро пришел к правильной интерпретации состава воды, основанной на том, что сейчас называется законом Авогадро и предположении о существовании двуатомных элементарных молекул. Однако эти результаты в основном игнорировались до 1860 года, отчасти из-за убеждения, что атомы одного элемента не будут проявлять химического сродства к атомам того же элемента, а также отчасти из-за кажущихся исключений из закона Авогадро, которые не были объяснены позднее с точки зрения диссоциации молекул. На конгрессе 1860 года в Карлсруэ, посвященном атомным весам, Канниццаро возродил идеи Авогадро и использовал их для создания согласованной таблицы атомных весов, которая в основном соответствует современным значениям. Эти веса стали важным условием для открытия периодического закона Дмитрием Менделеевым и Лотаром Майером.
Возбужденные электронные состояния
Диатомные молекулы обычно находятся в своем самом низком или основном состоянии, которое традиционно также называют основным состоянием. Когда газ из двухатомных молекул подвергается бомбардировке энергичными электронами, некоторые из молекул могут быть возбуждены до более высоких электронных состояний, как это происходит, например, в естественном полярном сиянии, при ядерных взрывах на большой высоте и в экспериментах с электронными пушками, устанавливаемыми на ракетах. Эти потенциалы дают более точные энергетические уровни, поскольку они учитывают множественные колебательные эффекты. Что касается истории, то первым квантовомеханическим рассмотрением двухатомных молекул занималась Люси Менсинг в 1926 году.
Сравнение между разрывами вращательной и вибрационной энергии
Расстояние между вибрационными энергетическими уровнями и энергия типичного спектрального перехода для них примерно в 100 раз больше, чем расстояние между ротационными энергетическими уровнями и энергия типичного перехода для них.
Собачьи чемоданы
Хорошие квантовые числа для двухатомной молекулы и хорошие приближения вращательных уровней энергии могут быть получены, моделируя молекулу в рамках случаев Хунда.
Памноза
Для запоминания списка двуатомных элементов были придуманы мнемонические фразы BrINClHOF, произносится "Brinklehof", HONClBrIF, произносится "Honkelbrif", HOBrFINCl, произносится "Hoberfinkel", и HOFBrINCl, произносится "Hofbrinkle". Другой способ, для носителей английского языка, – это фраза: "Never Have Fear of Ice Cold Beer" (Никогда не бойся ледяного пива), представляющая азот, водород, фтор, кислород, йод, хлор и бром.