Почему двойные отрицательные ионы (водород) нестабильны? - физиков.нет
Купить гитару в Москве
1 голос
/

Это не дубликат. Я прочитал эти вопросы:

Может ли водород иметь 3 электрона?

, где Базз говорит:

Двойной водородный анион H−−не существует как стабильный вид. (Это происходит как резонанс с временем жизни 23 нс.) Если вы попытаетесь добавить еще один электрон к иону H -, отталкивание от двух основных электронов 1s будет больше, чем притяжение из-за ядра. Результатом является то, что нет связанного уровня энергии 2s. На самом деле, нет даже связанного 1s12s1 состояния H−. Даже имея всего два электрона, не существует связанной орбитали 2 с.

И Джон Кастер говорит:

Я не уверен, что есть какие-то дважды отрицательные ионы, которыеявляется стабильным.

Есть ли предел электронов, который может иметь один атом водорода?

Где Эмилио Пизанти говорит:

Просто слишком трудно попытаться удержать два дополнительных электрона (и их возникающее взаимное электростатическое отталкивание) в пределах атомной системы.

Теперь, когда вы узнаете о конфигурации электронов, это не просто. Наивно вы думаете, что когда вы объедините один протон и один электрон, они будут стабильными. И они, потому что вы думаете, хорошо, что один электрон и один протон имеют одинаковый, но противоположный заряд ЭМ, поэтому они равны, и у вас есть стабильная система.

Затем вы узнаете, что Водород отрицателенион с дополнительным электроном стабилен. Итак, вы должны признать, что это не так просто, и это все QM.

Даже двойной отрицательный ЭМ-заряд двух электронов может равняться ЭМ-заряду одного протона и создавать стабильную систему.

Тогда вы узнаете, что дважды отрицательный ион водорода нестабилен. Так что просто второй дополнительный электрон добавляет большую часть отрицательного ЭМ-заряда, и протон не может уравновесить его.

Или три электрона не могут создать такую ​​электронную конфигурацию в соответствии с КМ, чтобы их отрицательный ЭМ-заряд равнялсязаряд одного протона.

Таким образом, в основном вопрос заключается в том, где находится эта точка и почему именно между двумя и тремя электронами, что электронная конфигурация становится неспособной создать устойчивую связь с одним протоном?

По этой ссылке я обнаружил, что они обнаружили стабильные двойные отрицательные ионы водорода (у меня нет доступа к полным).

Это противоречие, какое из них правильное, устойчивы они или нет?

Вопрос:

  1. Что такого особенного во втором дополнительном электроне, и почему три электрона не могут создать такую ​​конфигурацию, чтобы уравновесить заряд одиночного протона и создать стабильную систему?

Ответы [ 3 ]

1 голос
/

Тогда вы узнаете, что отрицательный ион водорода с дополнительным электроном стабилен. Итак, вы должны признать, что это не так просто, и это все QM.

Вам не нужно идти в QM, чтобы иметь стабильную систему с двумя электронами и одним протоном. Если вы хотите думать в рамках классической электростатической планетарной модели атома (игнорируя пока то, что она не работает для описания реальности), если у вас есть два электрона на диаметрально противоположных круговых орбитах вокруг протона, то система находится в равновесии,Конечно, центростремительная сила каждого электрона уменьшается, но, поскольку другой электрон находится дальше, чем протон, общая сила все еще остается привлекательной.

Это в основном то, что происходит в квантово-механическом водородном анионе (и(в общем, в атомной структуре): экранирование . В хорошем приближении вы можете представить себе электроны в КМ как занимающие диффузные облака вероятностей, каждое из которых создает электростатическое поле в соответствии с его плотностью, которую чувствуют другие электроны в системе. (Это самосогласованное описание является сутью подхода Хартри-Фока к атомной структуре. Если вы не очень хорошо знакомы с ним, сейчас самое время подробно остановиться на нем.)

В качестве стандартного примера для атома гелия два электрона занимают $1s$ орбиту. Это означает, что когда каждый электрон находится рядом с ядром, он наблюдает центральный заряд, равный полному заряду ядра $Z=2$, но на внешних краях области поддержки орбитали этот заряд ядра экранируется другим электроном, иэлектрон наблюдает эффективный центральный заряд, который намного ближе к $Z_\mathrm{eff} = 1$.

Для аниона водорода, по сути, то же самое *, и электронная структура такая же, как в гелии, поэтому оба электрона находятся в $1s$ состояния, и в центральной части орбитали они наблюдают полное электрическое поле центрального протона с зарядом $Z=1$. С другой стороны, на внешних краях орбиты экранирование практически завершено, поэтому они видят значительно уменьшенный центральный заряд, который приближается к $0$, когда вы уходите от центра.

Эта комбинация (близкий к нулю эффективный центральный заряд на больших расстояниях, близкий к $Z=1$ эффективному центральному заряду на коротких расстояниях) позволяет общей орбите $1s$ быть связанной, но она как бы на грани. Что значит «на краю» здесь? По сути, здесь очень мало места для маневрирования без разрушения системы.

  • Основное состояние само по себе стабильно, так как вам нужно вкладывать энергию, чтобы разделить его на $\mathrm{H}^-\to \mathrm H+e^-$.
  • Однако возбужденные состояния системы по существу исчезли.
    • Напомним, что для нейтральных атомных систем (которые можно интерпретировать как асимптотический кулоновский потенциал с положительным зарядом для каждого электрона) существует бесконечность связанных возбужденных состояний (ряд Ридберга).
    • Однако для отрицательно заряженных систем это меняется: они могут поддерживать только конечное количество связанных состояний. Это означает, что существует не более конечного числа возбужденных состояний, а то и вовсе нет.
    • В частности, для H $^-$ количество возбужденных состояний зависит от того, определено ли ваше определение «связанных возбужденных состояний»допускает радиационные переходы (подробности см. в этой теме ). Короче говоря, H $^-$ имеет в лучшем случае только одно возбужденное состояние, которое имеет характеристики симметрии, делающие его в основном недоступным, поэтому для всех практических целей оно имеет стабильное основное состояние и больше ничего.
    • Тем не менее, H $^-$ имеет резонансов , которыми становятся возбужденные состояния, когда они становятся нестабильными и погружаются в континуум. Они работают аналогично собственным состояниям энергии, которые представляют собой удельные энергии, при которых электроны могут находиться в стабильном состоянии, за исключением того, что теперь эта стабильность нарушается благодаря доступности канала распада. Таким образом, хотя невозможно разместить электроны здесь постоянно, эти состояния все еще оставляют четкие резонансные структуры в таких вещах, как спектры поглощения.
  • С другой стороны, это не все мрак и мрак, исистема не является полностью хрупкой ─ вы можете фактически уменьшить заряд ядра примерно до $Z\simeq 0.911 <1$</span>, и он останется связанным ( ссылка ), несмотря на то, что при больших радиусах каждыйэлектрон видит отрицательный эффективный заряд и, следовательно, потенциал отталкивания.

Итак: да, H $^-$ действительно возможен, потому что два электрона могут «втиснуться» и лишь частично экранируют центральный заряд ядра, но это, в некотором смысле, на грани существования.

Однако, если вы попытаетесь добавить второй электрон, игра выдает: в оболочке $1s$ не осталось места, поэтому третьему электрону пришлось бы сидеть на большем радиусе$2s$ орбиталь (грубо говоря), где она теперь видит (близко к) полный эффект внутренних двух электронов на оболочке $1s$. Они не просто экранируют положительный заряд ядра - они создают эффективный центральный заряд, который является отрицательным и, следовательно, отталкивающим для третьего электрона. Это больше не совместимо с этим третьим электроном, слипшимся вокруг, и он отлетит в ответ.

Эта интуиция верна и для более крупных систем: скажем, если вы попытаетесь добавить дополнительный электрон в атом фтора,что на один электрон меньше полной оболочки, тогда он будет очень рад разместить этот дополнительный электрон в этой дыре, создавая фторид . Но если вы попытаетесь добавить второй дополнительный электрон, ему больше не будет места, и он будет изгнан.

Наиболее вероятным кандидатом для небольшого атома для создания стабильного двухзарядного аниона является кислород,который на два электрона меньше полной $2p$ оболочки, и который более чем рад принять первый электрон. Тем не менее, когда вы решаете вопросы, все еще невозможно втиснуть второй дополнительный электрон в эту оставшуюся дыру в оболочке $2p$ - структура существует, но это резонанс, который разлетается на O $^-$ исвободный электрон.

То же самое относится и к более крупным атомам, где можно подумать, что если у вас уже есть 90 электронов, скажем, со свистом о ядре $Z=90$ с широко открытой оболочкой $5f$ для заполнения, тоне только один, но и два дополнительных электрона могут быть в состоянии вписаться и иметь достаточно места, чтобы уйти друг с другом без взаимного отталкивания (и их отталкивания со всеми остальными 90 электронами в системе). Однако, когда люди смотрят, эти двухзарядные системы просто не стабильны.

Итак, возможны ли атомные дианионы? Наверное, нет, но это не жесткий, строгий результат. Когда мы говорим

Просто слишком трудно попытаться удержать два дополнительных электрона (и их возникающее взаимное электростатическое отталкивание) в пределах атомной системы

, это просто приходитИсходя из опыта изучения всех известных нам атомных систем, пытаясь вычислить их структуры при добавлении первого электрона, а затем добавляя второй электрон. До сих пор все системы, на которые мы смотрели, производили нестабильные дианионы, именно потому, что действительно трудно удерживать такой большой отрицательный заряд, ограниченный такой маленькой системой. Это не исключает возможности того, что более крупная атомная система (скажем, что-то в предполагаемом острове стабильности ?) Будет иметь стабильный дианион, это просто опыт, свидетельствующий о том, что это трудно сделать.


Таким образом, в основном вопрос заключается в том, где эта точка и почему именно между двумя и тремя электронами, что электронная конфигурация становится неспособной создать устойчивую связь с одним протоном?

Междудва и три. Не существует таких вещей, как доли электрона, поэтому поставленный вопрос довольно бессмыслен.

Тем не менее, то, что вы можете сделать, - это плавно запустить межэлектронное отталкивание отобнулить до ее реального значения для трехэлектронной системы ─ или, что то же самое, настроить значение заряда ядра и посмотреть, где система становится несвязанной.

  • Четкая начальная точка для этого - $Z=3$, нейтральный атом лития, который, как известно, является стабильным.
  • Когда вы опуститесь до $Z=2$, вы будете описывать анион гелия, He $^-$, который, как известно, нестабилен (имеет отрицательное сродство к электрону). Это означает, что критический заряд ядра $Z_c$ находится где-то между $2$ и $3$.
    • Другими словами: в отличие от водорода, гелий не может принять даже один дополнительный электрон. Экранирование просто не работает в этой системе, потому что, как обсуждалось выше, оболочка $1s$ уже заполнена, и дополнительный электрон должен находиться на орбите $2s$, которая не имеет достаточного доступа к внутренним областям. системы и просто видит отрицательный эффективный центральный заряд.
  • Очевидно, это означает, что снижение до $Z=1$, что вам нужно, чтобы получить стабильную H $^{2-}$дианионы, это просто не произойдет.

Итак: мы можем перефразировать ваш вопрос как

какой самый низкий заряд ядра $Z$ совместим со стабильно связанными тремя-электронная система,

, и у нас есть первый ответ в том, что $Z$ должно быть между $2$ и $3$. Реальный ответ, однако, гораздо более интересен, чем этот, и это вопрос текущих исследований, примером которого, в частности, являются

, что показывает, что критический заряд $Z_c$ ограничен сверху $$ Z_c\leq 2.000\,001. $$ Другими словами, существуетстабильно связаны трехэлектронные системы вплоть до $Z=2+10^{-6}$, но что между этим и $Z=2$ в настоящее время остается открытым вопросом.

  • Вполне возможно, что каждый $Z>2$ допускает стабильные трехэлектронные системы и что граница находится на $Z=2$ (что само по себе нестабильно).
  • Это также вполне возможночто существует $Z_c$ строго между $2$ и $2.000\,001$, так что все $Z>Z_c$ дают стабильные системы, но $2 даст нестабильную систему.

Это довольно мучительноположение дел, но, похоже, именно там находится литература.


* Я должен отметить, что эти эвристики не совсем верны при полной строгости. Для H $^-$ эффекты электронной корреляции гораздо важнее, чем в гелии, и метод Хартри-Фока фактически не работает;фактически вполне возможно, что никакого основного состояния ВЧ не существует. Чтобы строго описать эту систему, вам нужно использовать полноразмерные методы, в которых волновая функция является функцией над пространством шестимерной конфигурации, а не определителем Слейтера отдельных трехмерных волн.

0 голосов
/

Я публикую это дополнение к моему основному ответу отдельно, чтобы ответить на последнюю часть вашего вопроса, который я считаю совершенно неконструктивным и довольно близким к злоупотреблению этим сайтом.

По этой ссылке я обнаружил, что они обнаружили стабильные двойные отрицательные ионы водорода (у меня нет доступа к полным).

Это противоречие, какой из них правильный, устойчивы они или нет?

Нет, это не такпротиворечие. Единственный способ описать это как полное отсутствие должной осмотрительности с вашей стороны. Честно говоря, тот факт, что это не было отредактировано, является ошеломляющим.

Я считаю крайне неправдоподобным, что вы не знаете, как достать копию этой новости, и чтовы не знаете о любых методах, скажем, в этих Academia.SE потоков . Как только вы получите копию, новость становится абсолютно ясной:

Также, по другим данным, Анбар и Шнитцер определили, что период полураспада иона H $^{2-}$ составляет 23 ± 4 наносекунды.

Это нестабильная система. Более того, даже в общедоступном реферате нет ни намека, ни указания на то, что система стабильна (т. Е. Реферат нейтрален в отношении стабильности системы), поэтому ваше утверждение о том, что он сообщает о стабильном ионе H $^{2-}$, неоправданно и мертвонеправильно.

В любом случае, в интересах добросовестности, я собираюсь предположить, что вы не следили за этим не потому, что вы ленивы, а потому, что вы не знали, какк. Учитывая такую ​​известную новость, как этот, как можно оценить содержание доклада?

Ну, в реферате явно упоминаются имена исследователей (д-р Майкл Анбар и д-р Рафаэль Шнитцер), иэто новость, поэтому вряд ли это единственная публикация, касающаяся эксперимента. (Если это так, то вы можете списать его как ненадежный.) Это означает, что должна быть статья, включающая обоих исследователей и примерно того же года, описывающая эксперимент. Как ты выглядишь для одного? Вы идете в академическую поисковую систему и ищите статьи с обоими этими авторами, скажем, , как в этом поиске .

В этом случае вы получите около двенадцати ссылок, большинство из которыхони явно упоминают H $^{2-}$ в названии. Они обычно оплачиваются, но два из соответствующих явно упоминают период полураспада системы в (неоплаченном) резюме:

  • J. ХимреагентPhys. 64 , 2466 (1976) :

    Дважды заряженные отрицательные ионы водорода H $^{2−}$ и D $^{2−}$ косвенно наблюдались втандемный масс-спектрометр с использованием источника ионов дуоплазматрона с полым катодом. Период полураспада этих двухзарядных ионов, определенный в ряде экспериментов по времени дрейфа, составляет 23 ± 4 нсек . Существование этих ионов заключено из анализа скорости, импульса и энергии гидрид-ионов, полученных в процессе авторазрушения: $\mathrm X^{2-} \to \mathrm X^- + e$ ($\rm X=H,D$).

  • Наука 191 , 463 (1976) :

    Существование относительно долгоживущего двухзарядного отрицательного отрицательного атомного иона H $^{2–}$ (и D $^{2–}$), изоэлектроника с атомом лития, была продемонстрирована масс-спектрометрией посредством комбинированного анализа энергии, скорости и импульса иона. Этот вид, образовавшийся в водородной плазме, имеет период полураспада , равный 2,3 × 10–8 секунд, прежде чем он самопроизвольно диссоциирует с образованием ионов H $^–$ .

Все это общедоступная информация, которая следует непосредственно по следу, открытому по вашей ссылке, и вы указали эту информацию в комментариях . Почему это неконструктивное утверждение, которое умаляет остальную часть вашего (иначе интересного) вопроса, все еще присутствует в посте?

Это то, что считается базовой должной осмотрительностью, на уровнях сложности, которые вы спрашиваетев. Отказ следовать этим основным стандартам, несмотря на четкие указания относительно того, где следовать и явные запросы, которые вы делаете, не является конструктивным поведением. Пожалуйста, остановите это.

0 голосов
/

Вы можете получить некоторую интуицию для этого, используя грубое приближение: рассматривайте ион как единичный точечный заряд. В этом случае очевидно, что положительный ион и электрон имеют связанное состояние, а отрицательный ион и электрон - нет. Нейтральный атом и электрон в этом приближении будут иметь нулевую энергию связи, и поэтому вам нужно сделать более точный расчет для определения истинной энергии связи - в зависимости от знака этой поправки, некоторые нейтральные атомы могут принять второй электрона некоторые не могут.

Другими словами, положительный ион притягивает электрон и поэтому связывается с ним, в то время как отрицательный ион отталкивает электрон и не будет. Нейтральный атом и электрон не притягивают и не отталкивают, поэтому вам нужно точно выполнить квантово-механические вычисления, чтобы точно определить, существует ли связанное состояние.

Добро пожаловать на сайт физиков.нет, где вы можете задавать вопросы и получать ответы от других членов сообщества.
...