Diatómico

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Representación por ordenador de una molécula diatómica de nitrógeno.

Moléculas diatómicas (del griego δι, dos y άτομον, átomo) son moléculas formadas exactamente por dos átomos del mismo o diferente elemento químico.

Elementos diatómicos son aquellos que prácticamente existen exclusivamente como moléculas diatómicas, son conocidas como moléculas diatómicas homonucleares cuando en su estado natural no están químicamente enlazados con otro elemento. Entre los ejemplos más comunes encontramos el H₂ y el O₂.

La atmósfera terrestre está formada casi en un 99% de moléculas diatómicas: oxígeno (O₂) (21%) y nitrógeno (N₂) (78%). El 1% restante es principalmente argón (0,9340%).

El oxígeno también existe en forma de molécula triatómica ozono (O₃).

Los elementos diatómicos son el hidrógeno, el nitrógeno, el oxígeno, y los halógenos: flúor, cloro, bromo, iodo, y astato. La astatina es tan rara en la naturaleza (su isótopo más estable tiene una vida media de sólo 8,1 horas) que habitualmente no se la tiene en cuenta. Muchos metales son también diatómicos cuando se encuentran en estado gaseoso.

El enlace en una molécula diatómica homonuclear es no polar y totalmente covalente. Ejemplos de moléculas diatómicas heteronucleares incluyen el monóxido de carbono (CO) o el óxido nítrico (NO).

Otros elementos existen con forma diatómica pero con una alta inestabilidad y reactividad. Como ejemplo tendríamos el difósforo (P₂).

[editar] Niveles energéticos

Un modelo aproximado de una molécula diatómica serían unas pesas, es decir, cada átomo situado en los extremos opuestos de una barra.

El movimiento de este conjunto sólo puede ser de dos tipos:

Puede rotar o girar en torno a un eje.
Puede vibrar como si los átomos oscilaran acercándose y alejándose entre ellos.

[editar] Movimiento rotacional

Clásicamente, la energía cinética de rotación es

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

donde

$L \,$ es el momento angular

$I \,$ es el momento de inercia de la molécula

Ahora, para los sistemas cuánticos como una molécula, el momento angular sólo puede tener ciertos niveles discretos. Por lo que el momento angular viene dado por

$L^2 = l(l+1) \hbar^2 \,$

donde

l

es un positivo entero y $\hbar$ es la constante de Plank.

De modo que, el momento de inercia de esta molécula es

$I = \mu r_{0}^2 \,$

donde

$\mu \,$ es la masa reducida de la molécula y

$r_{0} \,$ es la distancia media entre dos átomo en la molécula.

Así, conectando con el momento angular y el momento de inercia, los niveles de energía rotacional de las moléculas diatómicas son dados por:

$E_{rot} = \frac{l(l+1) \hbar^2}{2 \mu r_{0}^2} \ \ \ \ \ l=0,1,2,... \,$

[editar] Movimiento vibracional

El otro modo en el que una molécula diatómica puede moverse es oscilar - o vibrar - a lo largo de la línea que los conecta.

La energía de esta vibración es exactamente la misma que la de un oscilador armónico cuántico:

$E_{vib} = \left(n+\frac{1}{2} \right)hf \ \ \ \ \ n=0,1,2,... \,$

donde

n es un entero

h es la constante de Plank y

f es la frecuencia de la vibración.

[editar] Comparación entre rotación y vibración

El nivel más bajo de energía rotacional es cuando $l = 0$ . El nivel inmediatamente superior es el del O₂ ( $l = 1$ ) y su energía aproximada es:

$E_{rot,1} \,$	$= \frac{\hbar^2}{2 m_{O_{2}} r_{0}^2} \,$
	$\approx \frac{\left(1.05 \times 10^{-34} \ \mathrm{J\cdot s} \right)^2}{2 \left(27 \times 10^{-27} \ \mathrm{kg} \right) \left(10^{-10} \ \mathrm{m} \right)^2} \,$
	$\approx 2 \times 10^{-23} \ \mathrm{J} \,$

Así, las transiciones entre niveles de energía rotacional pierden fotones en la región de las microondas.

El nivel energético vibracional más bajo es cuando $n = 0$ , y una frecuencia típica de vibración son 5x10¹³ Hz. Así, haciendo un cálculo semejante al de arriba obtenemos:

$E_{vib,0} \approx 3 \times 10^{-21} \ \mathrm{J} \,$ .

Así que una transición típica entre los niveles de energía vibracional es unas 100 veces más grande que una transición entre los niveles de energía rotacional.

A las moleculas diatomicas heteronucleares también se les llama compuestos.

[editar] Referencias

Hyperphysics - Rotational Spectra of Rigid Rotor Molecules
Hyperphysics - Quantum Harmonic Oscillator
Tipler, Paul (1998), Physics For Scientists and Engineers : Vol. 1 (4th ed.). ISBN 1-57259-491-8.

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