Молекулярный ион водорода

Молекулярный ион водорода — простейший двухатомный ион H₂⁺, образуется при ионизации молекулы водорода. В молекулярном ионе H₂⁺ образуется одноэлектронная химическая связь с расстоянием d_HH = 1,07Å. Одноэлектронная связь менее прочна (энергия разрыва 61 ккал/моль), чем обычная двухэлектронная связь в нейтральной молекуле водорода (d_HH=0,74Å, энергия разрыва 104 ккал/моль). Расчеты зависимостей полной энергии и её компонент от межъядерного расстояния для простейшей структуры с химической связью — молекулярного иона водорода H₂⁺ с одноэлектронной связью — показывают, что минимум полной энергии, который достигается при равновесном межъядерном расстоянии, равном 1,06Å, связан с резким понижением потенциальной энергии электрона вследствие концентрации и сжатия облака электронной плотности в межъядерной области.

Можно представить образование иона H₂⁺ как результат реакции атома водорода и протона:

$𝖧\mathsf{+}{𝖧}^{\mathsf{+}}\mathsf{\to }{H}_{\mathrm{𝟤}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}\mathrm{𝟨}\mathrm{𝟣}𝗄𝖼𝖺𝗅$

или ионизацию молекулы водорода

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}\mathrm{𝟥}\mathrm{𝟧}\mathrm{𝟩}𝗄𝖼𝖺𝗅\mathsf{\to }{H}_{\mathrm{𝟤}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}{𝖾}^{\mathsf{-}}$

Также молекулярным ионом водорода можно считать молекулу H₃⁺, которая сравнительно устойчива и образуется по схеме

${𝖧}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}{𝖧}^{\mathsf{+}}\mathsf{\to }{H}_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}\mathrm{𝟩}\mathrm{𝟢}𝗄𝖼𝖺𝗅$

или по бимолекулярной реакции через возбуждённый ион водорода H₄⁺.

$H_{\mathrm{𝟤}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}{𝖧}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }\mathsf{[}{H}_{\mathrm{𝟦}}^{\mathsf{+}}{\mathsf{]}}^{\mathsf{*}}\mathsf{\to }{H}_{\mathrm{𝟥}}^{\mathsf{+}}\mathsf{+}𝖧\mathsf{+}\mathrm{𝟣},\mathrm{𝟣}𝖾𝖵$

Молекулярный ион водорода H₂⁺ содержит два протона, заряженных положительно, и один электрон, заряженный отрицательно. Единственный электрон компенсирует электростатическое отталкивание двух протонов и удерживает их на расстоянии d_HH = 1,06 Å. Центр электронной плотности электронного облака (орбитали) равноудалён от обоих протонов на боровский радиус α₀ = 0,53 Å и является центром симметрии молекулярного иона водорода H₂⁺

Молекулярный ион водорода H₃⁺ содержит три протона и два электрона. Электростатическое отталкивание трёх протонов компенсируется двумя электронами. Методом кулоновского взрыва показано, что протоны молекулярного иона водорода H₃⁺ находятся в вершинах равностороннего треугольника с межъядерным расстоянием 1,25 ± 0,2Å. Точного решения волнового уравнения Шрёдингера, описывающего поведение электронов для систем, содержащих два электрона, не существует. Широко используемая приближённая теория молекулярных орбиталей не учитывает кулоновскую электронную корреляцию — электростатическое отталкивание электронов. Можно считать, что при учёте кулоновской электронной корреляции центры электронной плотности электронов будут равноудалены друг от друга, а также равноудалены от ядер молекулярного иона водорода H₃⁺. В центре молекулярного графа H₃⁺ существует «кулоновская дыра». В молекулярном ионе H₃⁺ реализуется двухэлектронная трёхцентровая химическая связь.

Ссылки

• Сайт Уфимского кванто-химического общества. Лекция № 13 «Электронная корреляция»

См. также

• Электронная плотность
• Одноэлектронная химическая связь
• Двухэлектронная трёхцентровая химическая связь
• W-функция Ламберта
• Молекула водорода