Τριυδρογόνο

Το τριυδρογόνο ή τριατομικό υδρογόνο (H3) είναι μια ασταθής τριατομική μοριακή αλλομορφή του υδρογόνου. Εφόσον το μόριο αυτού του χημικού είδους περιέχει μόνο τρία (3) άτομα του υδρογόνου αποτελεί το απλούστερο τριατομικό μόριο και είναι σχετικά απλό να λυθεί αριθμητικά η κβαντομηχανική περιγραφή των σωματιδίων του. Πρόκειται, όμως, για ένα ασταθές μόριο, με ημιζωή βραχύτερη από ένα εκατομυριοστό του δευτερολέπτου (δηλαδή μικρότερη από 1 μs). Η φευγαλέα (χρονικά) ύπαρξή του το καθιστά (πάντα σχετικά) σπάνιο, αλλά είναι συχνός τόσο ο σχηματισμός όσο και η καταστροφή του, χάρη στην ύπαρξη ενός συνηθισμένου συγγενικού του χημικού είδους, του κατιόντος τριυδρογόνου (H3+). Το φάσμα υπερύθρου του H3, λόγω της δόνησης και περιστροφής, είναι πολύ παρόμοιο με το αντίστοιχο των ιόντων H3+. Στο πρώιμο σύμπαν, αυτή η ικανότητα να εκπέμπεται υπέρυθρο φως επέτρεψε στο αρχέγονο υδρογόνο και στο ήλιο να ψυχθούν αρκετά, ώστε να μπορούν να σχηματίζουν άστρα.

 Το ουδέτερο μόριο μπορεί να σχηματιστεί σε ένα χαμηλής πίεσης αερίου σωλήνα εκφόρτισης. Ένα ουδέτερο ρεύμα μορίων H3 μπορεί να σχηματιστεί από μια αντίστοιχη δέσμη ιόντων H3+, που περνά μέσα από μια μάζα ατμών μεταλλικού (δηλαδή στοιχειακού) καλίου, η οποία αποσπά ηλεκτρόνιο, σχηματίζοντας K+. Αντίστοιχοι ατμοί άλλων αλκαλιμετάλλων, όπως π.χ. καισίου, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την απόσπαση ηλεκτρονίου. Τα ιόντα H3+ μπορούν, με τη σειρά τους, να παραχθούν σε ένα διπλάσματρο (duoplasmatron), όπου μια ηλεκτρική εκκένωση περνά από μοριακό υδρογόνο υπό χαμηλή πίεση. Αυτό κάνει κάποιο ποσοστό των μορίων διυδρογόνου να μετατραπούν σε κατιόντα διυδρογόνου (H2+). Τότε: Η αντίδραση αυτή είναι εξώθερμη, εκλύοντας ενέργεια 1,7 eV/μόριο, οπότε τα ιόντα που παράγονται είναι θερμά, με υψηλή δονητική ενέργεια. Αυτά μπορούν να ψυχθούν μέσω συγκρούσεων με αέριο σε δοχείο ψύξης, αν η πίεση είναι επαρκώς υψηλή. Αυτό είναι σημαντικό, επειδή τα έντονα δονούμενα ιόντα παράγουν έντονα δονούμενα ουδέτερα μόρια, όταν ουδετεροποιούνται, σύμφωνα με την αρχή Φρανκ-Κόντον (Franck–Condon principle.). Το τριυδρογόνο μπορεί να διασπαστεί με τους ακόλουθους τρόπους:Όπου H3* διεγερμένο τριυδρογόνο και H μονοατομικό υδρογόνο. Το μόριο του τριυδρογόνου μπορεί να υπάρχει μόνο σε διεγερμένη κατάσταση. Οι διαφορετικές διεγερμένες ηλεκτρονιακές καταστάσεις αναπαριστώνται με σύμβολα (της γενικής μορφής) nLΓ για το εξωτερικό ηλεκτρόνιο, όπου n ο κύριος κβαντικός αριθμός, L η ηλεκτρονιακή γωνιακή ορμή και Γ η ηλεκτρονιακή συμμετρία επιλεγμένη από την ομάδα D3h. Επιπλέον σύμβολα μέσα σε αγκύλες (της γενικής μορφής {s,dl}, όπου το s αντιπροσωπεύει το συμμετρικό τέντωμα, το d την εκφυλισμένη κατάσταση και l η δονητική γωνιακή ορμή) μπορούν επιπλέον να τοποθετηθούν μετά, για να δείξουν την δόνηση στον πυρήνα. Ακόμη ένας όρος, με τη γενική μορφή (N, G), μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να καθορίσει τη μοριακή περιστροφή, όπου N η γωνιακή ορμή περιστροφής ξεχωριστά από τα ηλεκτρόνια, όπως προβάλλεται στο μοριακό άξονα, και όπου G ο «βολικός» κβαντικός αριθμός του Hougen, που ορίζεται από τη σχέση G = I + λ - K. Συχνά είναι (N, G) = (1, 0), καθώς οι καταστάσεις περιστροφής είναι καθορισμένες, αφού τα συστατικά σωματίδια είναι όλα φερμιόνια. Παραδείγματα τέτοιων καταστάσεων αποτελούν οι ακόλουθες: 2sA1΄, 3sA1΄, 2pA2", 3dE΄, 3DE", 3dA1΄, 3pE΄ και 3pA2". Η κατάσταση 2p²A2" έχει διάρκεια ζωής 700 ns (1 ns = 10-9 sec). Αν το μόριο «αποπειραθεί» να αποβάλλει ενέργεια και να επιστρέψει (στη θεωρητικά μόνο ιστάμενη) βασική κατάσταση, τότε διασπάται άμεσα. Η χαμηλότερη ενεργειακά μετασταθής κατάσταση είναι η 2sA1΄, που έχει ενέργεια -3,777 eV κάτω από την κατάσταση (ζεύγους) H3+ και e-, αλλά διασπάται σε περίπου 1 ps (1 ps = 10-12 sec). Η ασταθής βασική κατάσταση συμβολίζεται 2p²E΄, αλλά διασπάται άμεσα σε διυδρογόνο (H2) και ατομικό υδρογόνο. Οι μη περιστρέψιμες καταστάσεις έχουν μακρύτερη διάρκεια «ζωής» (με την έννοια απλά της ύπαρξης) σε σύγκριση με τις περιστρέψιμες.Η ηλεκτρονιακή κατάσταση για το κατιόν τριυδρογόνου (H3+), δηλαδή με ένα απεντοπισμένο ηλεκτρόνιο, είναι σταθεράς Ράιντμπεργκ (Rydberg state).Το εξωτερικό ηλεκτρόνιο μπορεί να προωθηθεί στην υψηλή (σε ενέργεια) κατάσταση Ράιντμπερκ και μπορεί να ιονιστεί (εντελώς) αν δεχτεί την ενέργεια που αντιστοιχεί σε 29.562,6 cm−1, πάνω από την κατάσταση 2pA2". Με αυτόν τον τρόπο σχηματίζεται H3+. Η μοριακή γεωμετρία της ένωσης προβλέφθηκε ότι αντιστοιχεί σε (νοητό) ισόπλευρο τρίγωνο. Οι μοριακές δονήσεις μπορούν να συμβούν με δυο τρόπους: Α) Το μόριο μπορεί να επεκταθεί και μετά να συρρικνωθεί, διατηρώντας το ισόπλευρο τριγωνικό σχήμα του, σαν να «αναπνέει». Β) Το ένα άτομο υδρογόνου μπορεί να κινηθεί σε σχέση με τα άλλα δύο, παραμορφώνοντας προσωρινά το νοητό ισόπλευρο τρίγωνο σε ισοσκελές. Αυτή η δεύτερη δόνηση έχει μη μηδενική διπολική ροπή, και έτσι αντιστοιχεί σε αντίστοιχη υπέρυθρη ακτινοβολία. Ο Γκέρχαρντ Χέρτζμπεργκ (Gerhard Herzberg) ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε τις φασματοσκοπικές γραμμές του ουδέτερου τριυδρογόνου όταν ήταν 75 ετών, το 1979. Αργότερα ανακοίνωσε ότι αυτή η παρατήρηση ήταν μια από τις αγαπημένες του ανακαλύψεις. Οι γραμμές προήλθαν σχεδόν από την κάθοδο ενός σωλήνα εκφόρτισης. Ο λόγος που οι προηγούμενοι παρατηρητές δεν μπόρεσαν να δουν τις φασματικές γραμμές του τρυδρογόνου ήταν αυτές ότι συγχέονταν με το φάσμα του πολύ αφθονότερου διυδρογόνου. Το σημαντικό βήμα προόδου ήταν ο διαχωρισμός του τριυδρογόνου ώστε να μπορεί να παρατηρηθεί το φάσμα του ξεχωριστά. Ο διαχωρισμός χρησιμοποιεί διαχωρισμό φασματοσκοπίας μαζών των θετικών ιόντων ώστε το τριυδρογόνο με μοριακή μάζα (περίπου) 3 να μπορεί να διαχωριστεί από το διυδρογόνο, που έχει μοριακή μάζα (περίπου) 2. Ωστόσο, με αυτόν τον τρόπο συνυπάρχει πρόσμειξη από δευτεριούχο υδρογόνο (HD), γιατί το τελευταίο έχει επίσης μοριακή μάζα (περίπου) 3, όπως και το τρυδρογόνο. Το φάσμα του τριυδρογόνου οφείλεται κυρίως στις μεταπτώσεις της μακροβιότερης κατάστασης 2p²A2". Το φάσμα μπορεί να μετρηθεί σε δύο (2) βήματα, μέσω της μεθόδου φωτοϊονισμού. Το κατιόν τριυδρογόνου είναι το πιο άφθονο μοριακό ιόν στο διαστρικό διάστημα. Πιστεύεται ότι έπαιξε κρίσιμο ρόλο για την ψύξη των πρώιμων άστρων στην ιστορία του σύμπαντος, εξαιτίας της ικανότητάς του να απορροφά και να εκπέμπει φωτόνια. Μια από τις πιο σημαντικές χημικές αντιδράσεις στο διαστρικό διάστημα είναι: Το τριατομικό υδρογόνο σχηματίζεται με την ουδετεροποίηση του κατιόντος τριυδρογόνου. Το ιόν αυτό ουδετεροποιείται με την παρουσία άλλων αερίων εκτός από το ήλιο και το διυδρογόνο. Έτσι το τριυδρογόνο σχηματίζεται στο σέλας της ιονόσφαιρας του Δία και του Κρόνου.