Молекулярний іон водню

Молекулярний іон водню — найпростіший двоатомний іон H₂⁺, утворюється внаслідок іонізації молекули водню. У молекулярному іоні H₂⁺ утворюється одноелектронний хімічний зв'язок з відстанню d_HH = 1,07 Å. Одноелектронний зв'язок слабший (енергія розриву 61 ккал/моль), ніж звичайний двоелектронний зв'язок у нейтральній молекулі водню (d_HH = 0,74Å, енергія розриву 104 ккал/моль). Розрахунки залежностей повної енергії та її компонент від міжядерної відстані для найпростішої структури з хімічним зв'язком — молекулярного йона водню H₂⁺ з одноелектронним зв'язком — показують, що мінімум повної енергії, який досягається за рівноважної міжядерної відстані і дорівнює 1,06 Å, пов'язаний із різким зниженням потенціальної енергії електрона внаслідок концентрації та стиснення хмари електронної густини в міжядерній області.

Можна уявити утворення йону H₂⁺ як результат реакції атома водню та протона:

${\mathsf {H+H^{+}\rightarrow H_{2}^{+}+61\ {\text{ккал}}}}$

або йонізації молекули водню

${\mathsf {H_{2}+357\ {\text{ккал}}\rightarrow H_{2}^{+}+e^{-}}}$

Також молекулярним іоном водню можна вважати молекулу H₃⁺, яка порівняно стійка і утворюється за схемою

${\mathsf {H_{2}+H^{+}\rightarrow H_{3}^{+}+70\ {\text{ккал}}}}$

або за бімолекулярною реакцією через збуджений іон водню H₄⁺:

${\mathsf {H_{2}^{+}+H_{2}\rightarrow [H_{4}^{+}]^{*}\rightarrow H_{3}^{+}+H+1,1\ {\text{еВ}}}}$

Молекулярний іон водню H₂⁺ містить два протони, заряджених додатно, і один електрон, заряджений від'ємно. Єдиний електрон компенсує електростатичне відштовхування двох протонів та утримує їх на відстані d_HH = 1,06 Å. Центр електронної густини електронної хмарки (орбіталі) рівновіддалений від обох протонів на борівський радіус α₀ = 0,53 Å і є центром симетрії молекулярного йона водню H₂⁺.

Молекулярний іон водню H₃⁺ містить три протони та два електрони. Електростатичне відштовхування трьох протонів компенсують два електрони. Методом кулонівського вибуху показано, що протони молекулярного йону водню H₃⁺ містяться у вершинах рівностороннього трикутника з міжядерною відстанню 1,25±0,2Å. Точного розв'язку хвильового рівняння Шредінгера, що описує поведінку електронів для систем, які містять два електрони, не існує. Широко використовувана наближена теорія молекулярних орбіталей не враховує кулонівської електронної кореляції — електростатичного відштовхування електронів. Можна вважати, що при врахуванні кулонівської електронної кореляції центри електронної густини будуть рівновіддаленими один від одного, а також рівновіддалені від ядер молекулярного йона водню H₃⁺. У центрі молекулярного графа H₃⁺ існує «кулонівська дірка». У молекулярному йоні H₃⁺ реалізується двоелектронний трицентровий хімічний зв'язок.

Посилання

• Сайт Уфімського кванто-хімічного товариства. Лекція № 13 «Електронна кореляція» (рос.)

Див. також

• Електронна густина
• Одноелектронний хімічний зв'язок
• Двоелектронний трицентровий зв'язок
• W-функція Ламберта
• Молекула водню