17 марта 2014 Автор: Константин Филиппович Суздалев

Невероятное в мире химии. Изомеры молекулярного водорода! Возможно даже такое

Демонстрация +1: асинхронная загрузка

Водород. Простейшая двухатомная молекула во Вселенной. Два ядра, два электрона. Какая изомерия??? Как может быть так, чтобы такие молекулы давали разные вещества с различными свойствами? Однако, все намного интереснее...

Протон, ядро атома водорода, обладает спином (собственным механическим и связанным с ним магнитным моментом). Это совершенно специфическое свойство, которое невозможно объяснить с точки зрения классической физики. Самое простое сравнение — крошечный магнитик, способный приобретать только две ориентации во внешнем поле (по полю и против него). На рисунке 1 эти направления показаны стрелками.

: Рисунок 1: спиновые изомеры молекулы водорода

Магнитное квантовое число, описывающее его поведение: I = ½. А если ядер два? Как в молекуле. Тогда можно сложить эти спины и получить I=1, что соответствует параллельной ориентации магнитиков-протонов. Если спины противоположны, то квантовые числа вычитаются, I=0. То есть мы пришли к двум возможным состояниям молекулы Н2 — ортоводороду (параллельная ориентация) и параводороду (спины направлены навстречу друг другу).

Вещества немного различаются по свойствам, например, смесь изомеров кипит при 20,369 К, а параводород 20,277 К. Интересно, что при комнатной температуре газ состоит из 75% орто-изомера и 25% пара-изомера. Однако при сжижении становится более выгодной пара-ориентация спинов (99,8% пара и 0,2% орто). Все бы хорошо, но процесс перехода орто-пара связан с выделением тепла 1091 Дж/моль. Это при теплоте испарения 904 Дж/моль! К тому же, орто-форма метастабильна, самопроизвольно переходит в более выгодную, хоть и не сразу.

: Рисунок 2: стедновые испытания двигателя RS-25

Сжиженный водород начинает изомеризоваться и разогреваться. Результат — испарение и потери большого количества дорогостоящей жидкости. Поэтому при низких температурах, но еще до сжижения, газ пропускают над катализаторами, ускоряющими изомеризацию. Только после этого им можно пользоваться без опаски.

Именно пара-водород сгорал в двигателях типа RS-25 (корабль Space Shuttle) — фото на рис. 2.

По сути, любая молекула, содержащая атомы водорода, имеет такие магнитные изомеры. Более того, вся технология спектроскопии ЯМР основана на переходах одних магнитных изомеров в другие. Даже магнитно-резонансная томография, которая «видит» воду в организме, работает на регистрации переходов орто-вода — пара-вода.

Еще раз можно убедиться, насколько причудлива природа. И даже самые простые вещи могут таить в себе невероятные открытия.