Диатом молекул

Диатом молекул (Diatomic molecule, Грек хэлний di- — “хоёр”) нь зөвхөн хоёр атомоос тогтсон молекул юм. Эдгээр хоёр атом нь ижил элемент эсвэл өөр өөр элемент байж болно. Хэрэв диатом молекул нь устөрөгч (H₂), хүчилтөрөгч (O₂) зэрэг нэг элементийн хоёр атомоос тогтсон бол ижил цөмт диатом молекул (homonuclear) гэнэ. Харин нүүрстөрөгчийн дан исэл (CO), азотын дан исэл (NO) зэрэг хоёр өөр элементийн атомоос тогтсон бол ялгаатай цөмт диатом молекул (heteronuclear) гэж нэрлэнэ.

Ижил цөмт диатом молекулын холбоо нь туйлшралгүй (non-polar) байдаг.

Ижил цөмт диатом элементүүд

Стандарт температур ба даралт (STP), эсвэл лабораторийн ердийн нөхцөл (1 бар, 25 °C)-д тогтвортой ижил цөмт диатом молекул үүсгэдэг элементүүд нь:

• Хий төлөвтэй: устөрөгч (H₂), азот (N₂), хүчилтөрөгч (O₂), фтор (F₂), хлор (Cl₂)
• Шингэн төлөвтэй: бром (Br₂)

Идэвхгүй (баялаг) хийнүүд болох гели, неон, аргон, криптон, ксенон, радон нь STP нөхцөлд хий боловч дан атом хэлбэртэй оршдог. Ижил цөмт диатом хийнүүд болон идэвхгүй хийнүүдийг хамтад нь элементийн хий буюу молекул хий гэж нэрлэж, химийн нэгдэл хийнүүдээс ялгадаг.

Өндөр температурт галогенууд болох бром (Br₂), иод (I₂) нь мөн диатом хий үүсгэнэ. Галоген элементүүдээс астат болон теннессиний диатом хэлбэр нь тодорхой бус хэвээр байна.

Зарим элементүүд уурших үедээ диатом молекул үүсгэдэг ч хөрөхөд дахин том бүтэцтэй молекул болдог. Жишээлбэл:

• Фосфорыг халаахад дипосфор (P₂) үүснэ
• Хүхрийн уур нь ихэвчлэн дисульфур (S₂) байдаг
• Лити (Li₂), натри (Na₂) нь хийн төлөвт диатом молекул үүсгэдэг
• Вольфрам (W₂), молибден (Mo₂) нь хийн төлөвт зургаалсан холбоот бүтэцтэй
• Рубиди (Rb₂) нь диатом молекултай

Ялгаатай цөмт диатом молекул

Бусад бүх диатом молекулууд нь хоёр өөр элементээс тогтсон химийн нэгдэл юм. Температур ба даралтаас хамааран олон элемент хоорондоо нэгдэн ийм молекул үүсгэж чадна.

Жишээ нь:

• Нүүрстөрөгчийн дутуу исэл (CO)
• Азотын дан исэл (NO)
• Устөрөгчийн хлорид (HCl)

Зарим 1:1 харьцаатай хоёртын нэгдлүүд нь тасалгааны температурт полимер бүтэцтэй байдаг тул диатом гэж үздэггүй. Гэвч уурших үедээ диатом молекул үүсгэнэ. Жишээлбэл: MgO, SiO зэрэг.

Тархалт

Олон зуун диатом молекул Дэлхийн байгаль орчин, лаборатори, мөн од хоорондын орон зайд илрээд байна. Дэлхийн агаар мандлын ойролцоогоор 99% нь диатом молекулуудаас бүрддэг:

• Азот – 78%
• Хүчилтөрөгч – 21%

Устөрөгч (H₂) нь Дэлхийн агаар мандалд маш бага (ppm түвшинд) байдаг боловч ертөнц дэх хамгийн элбэг диатом молекул юм. Од хоорондын орон зайд устөрөгчийн атом давамгайлдаг.

Молекулын геометр

Бүх диатом молекул шугаман хэлбэртэй бөгөөд тэдгээрийг тодорхойлох ганц параметр нь холбооны урт буюу хоёр атомын хоорондох зай юм.

• N₂ – гурвалсан холбоо
• O₂ – давхар холбоо
• H₂, F₂, Cl₂, Br₂, I₂ – дан холбоо

Түүхэн ач холбогдол

19-р зуунд диатом элементүүд нь элемент, атом, молекул гэсэн ойлголтыг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэсэн. Жон Далтоны анхны атомын онолд элементүүдийг дан атом гэж үзэж, усны томьёог HO гэж буруу тогтоож байв.

1805 онд Гей-Люссак, фон Хумбольдт нар ус нь 2 эзлэхүүн устөрөгч + 1 эзлэхүүн хүчилтөрөгчөөс бүрддэгийг харуулсан. 1811 онд Авогадро диатом элементүүдийн таамаглалд тулгуурлан усны зөв бүтцийг тайлбарласан. Гэсэн ч 1860 он хүртэл түүний санаа бүрэн хүлээн зөвшөөрөгдөөгүй.

1860 оны Карлсруэгийн их хурлаар Канниццаро Авогадрогийн онолыг сэргээж, атомын жингийн зөв хүснэгтийг гаргасан нь Менделеев, Лотар Майер нарын үелэх хууль нээх суурь болсон.

Өдөөгдсөн электрон төлөв

Диатом молекулууд ихэвчлэн суурь төлөв буюу $X$ төлөвт оршдог. Өндөр энергитэй электрон, гэрэл, цахилгаан соронзон цацрагт өртөх үед өндөр электрон төлөвт орж болно (туйлын туяа, цөмийн дэлбэрэлт гэх мэт).

Өдөөгдсөн төлөв тогтворгүй тул молекул дахин суурь төлөвт шилжихдээ фотон ялгаруулдаг. Үүнийг флуоресценц гэнэ. Электрон төлөвүүдийг уламжлалаар $A$, $B$, $C$ гэх мэтээр нэрлэдэг.

Энергийн түвшин

Диатом молекулын энерги нь:

• Шилжилтийн энерги
• Эргэлтийн энерги
• Чичиргээний энерги

гэсэн гурван хэсгээс бүрдэнэ.

Шилжилтийн энерги

$$E_{\text{trans}}={\frac {1}{2}}mv^{2}$$

Эргэлтийн энерги

$$E_{\text{rot}}={\frac {L^{2}}{2I}}$$

Чичиргээний энерги

$$E_{\text{vib}}=\left(n+{\tfrac {1}{2}}\right)\hbar \omega ,\quad n=0,1,2,\dots ,$$

Чичиргээний энергийн түвшний зай нь эргэлтийнхээс ойролцоогоор 100 дахин их байдаг.

Санамж үгс (Mnemonics)

Диатом элементүүдийг цээжлэхэд дараах үгсийг ашигладаг:

• BrINClHOF
• HONClBrIF
• HOBrFINCl
• HOFBrINCl

Мөн англи хэлэнд:

“Never Have Fear Of Ice Cold Beer”: (N – H – F – O – I – Cl – Br)