جزيء ثنائي الذرات

الجزيئات ثنائية الذرة ( من اليونانية di- بمعنى " اثنان " ) هي جزيئات تتكون من ذرتين فقط ، _إما من نفس العنصر الكيميائي أو من عنصرين مختلفين . إذا كان الجزيء ثنائي الذرة يتكون من ذرتين من نفس العنصر، مثل الهيدروجين ( H₂ ) أو الأكسجين ( O₂ ₎ ، فإنه يُسمى متجانس النوى . أما إذا كان يتكون من ذرتين مختلفتين، مثل أول أكسيد الكربون ( CO ) أو أكسيد النيتريك ( NO )، فإنه يُسمى غير متجانس النوى . الرابطة في الجزيء ثنائي الذرة متجانس النوى غير قطبية . 

العناصر الكيميائية الوحيدة التي تُشكّل جزيئات ثنائية الذرة متجانسة مستقرة عند درجة الحرارة والضغط القياسيين ( أو في ظروف المختبر النموذجية عند 1 بار و25 _درجة  مئوية) هي غازات الهيدروجين ( H2 )، والنيتروجين ( _N2 )، _{والأكسجين} ( O2 ) ، والفلور ( _F2 )، والكلور ( Cl2 ) ^، والبروم _السائل ( Br2 ⁾ . ^[ 1 _]

الغازات النبيلة ( الهيليوم ، والنيون ، والأرجون ، والكريبتون ، والزينون ، والرادون ) هي أيضًا غازات في الظروف القياسية، لكنها أحادية الذرة . تُسمى الغازات ثنائية الذرة المتجانسة والغازات النبيلة معًا " الغازات العنصرية " أو "الغازات الجزيئية"، لتمييزها عن الغازات الأخرى التي تُعدّ مركبات كيميائية . ^{[ 2 ]}

عند درجات حرارة مرتفعة قليلاً، يشكل كل من البروم (Br₂) واليود (I₂) غازات ثنائية الذرة. _[ 3 ] وقد لوحظت جميع الهالوجينات على ^{شكل جزيئات ثنائية} الذرة، باستثناء الأستاتين والتينيسين ، اللذين لا يزال وجودهما غير مؤكد _.

تُشكّل عناصر أخرى جزيئات ثنائية الذرة عند تبخيرها، لكن هذه الجزيئات تتكاثف عند تبريدها. تسخين الفوسفور (تكسيره) يُعطي ثنائي الفوسفور ( P₂ ₎ . بخار الكبريت هو في معظمه ثنائي الكبريت ( S₂ ₎ . الليثيوم الثنائي ₍ Li₂ ) والصوديوم الثنائي ( Na₂ ₎ ^{[ 4 ]} معروفان في الحالة الغازية. يتكوّن التنجستن الثنائي ( W₂ ₎ والموليبدينوم الثنائي ( Mo₂ ₎ بروابط سداسية في الحالة الغازية. الروبيديوم الثنائي ( Rb₂ ₎ ثنائي الذرة .

جميع الجزيئات ثنائية الذرة الأخرى هي مركبات كيميائية تتكون من عنصرين مختلفين. ويمكن للعديد من العناصر أن تتحد لتكوين جزيئات ثنائية الذرة غير متجانسة النوى ، وذلك تبعاً لدرجة الحرارة والضغط.

ومن الأمثلة على ذلك غازات أول أكسيد الكربون (CO) وأكسيد النيتريك (NO) وكلوريد الهيدروجين (HCl).

لا تعتبر العديد من المركبات الثنائية بنسبة 1:1 عادةً ثنائية الذرات لأنها بوليمرية في درجة حرارة الغرفة، ولكنها تشكل جزيئات ثنائية الذرات عند تبخرها، على سبيل المثال MgO الغازي، SiO، والعديد من المركبات الأخرى.

تم تحديد مئات الجزيئات ثنائية الذرة ^{[ 5 ]} في بيئة الأرض، وفي المختبر، وفي الفضاء بين النجوم . يتكون حوالي 99% من الغلاف الجوي للأرض من نوعين من الجزيئات ثنائية الذرة: النيتروجين (78%) والأكسجين (21%). لا تتجاوز وفرة الهيدروجين (H₂ ₎ الطبيعية في الغلاف الجوي للأرض بضعة أجزاء في المليون، ولكنه مع _ذلك يُعدّ أكثر الجزيئات ثنائية الذرة وفرةً في الكون. يهيمن الهيدروجين على الوسط بين النجوم.

جميع الجزيئات ثنائية الذرة خطية الشكل وتتميز بمعامل واحد هو طول الرابطة أو المسافة بين الذرتين. يحتوي النيتروجين ثنائي الذرة على رابطة ثلاثية، والأكسجين ثنائي الذرة على رابطة ثنائية، بينما يحتوي كل من الهيدروجين والفلور والكلور واليود والبروم ثنائي الذرة على روابط أحادية. ^{[ 6 ]}

لعبت العناصر ثنائية الذرة دورًا هامًا في توضيح مفاهيم العنصر والذرة والجزيء في القرن التاسع عشر، لأن بعض العناصر الأكثر شيوعًا، مثل الهيدروجين والأكسجين والنيتروجين، توجد على شكل جزيئات ثنائية الذرة. افترضت فرضية جون دالتون الذرية الأصلية أن جميع العناصر أحادية الذرة، وأن الذرات في المركبات عادةً ما تكون لها أبسط النسب الذرية فيما بينها. على سبيل المثال، افترض دالتون أن الصيغة الكيميائية للماء هي HO، مما أعطى الوزن الذري للأكسجين ثمانية أضعاف الوزن الذري للهيدروجين، ^{[ 7 ]} بدلًا من القيمة الحديثة التي تبلغ حوالي 16. ونتيجة لذلك، ساد الارتباك بشأن الأوزان الذرية والصيغ الجزيئية لنحو نصف قرن.

في وقت مبكر من عام 1805، أثبت غاي-لوساك وفون هومبولت أن الماء يتكون من حجمين من الهيدروجين وحجم واحد من الأكسجين، وبحلول عام 1811، توصل أميديو أفوجادرو إلى التفسير الصحيح لتركيب الماء، استنادًا إلى ما يُعرف الآن بقانون أفوجادرو وفرضية وجود جزيئات ثنائية الذرة. مع ذلك، تم تجاهل هذه النتائج إلى حد كبير حتى عام 1860، ويعود ذلك جزئيًا إلى الاعتقاد السائد بأن ذرات عنصر واحد لا تملك أي انجذاب كيميائي تجاه ذرات العنصر نفسه، وجزئيًا أيضًا إلى وجود استثناءات ظاهرة لقانون أفوجادرو لم تُفسَّر إلا لاحقًا من خلال تفكك الجزيئات.

في مؤتمر كارلسروه عام 1860 حول الأوزان الذرية، أعاد كانيزارو إحياء أفكار أفوجادرو واستخدمها لإنتاج جدول متسق للأوزان الذرية، والذي يتوافق في معظمه مع القيم الحديثة. وكانت هذه الأوزان شرطًا أساسيًا لاكتشاف القانون الدوري بواسطة ديمتري مندليف ولوثار ماير . ^{[ 8 ]}

توجد الجزيئات ثنائية الذرة عادةً في أدنى حالة لها أو حالتها الأرضية، والتي تُعرف اصطلاحًا أيضًا باسم${\displaystyle X}$عندما يتعرض غاز من الجزيئات ثنائية الذرة لقصف إلكتروني عالي الطاقة، قد تُثار بعض الجزيئات إلى حالات إلكترونية أعلى، كما يحدث، على سبيل المثال، في الشفق القطبي الطبيعي؛ والانفجارات النووية على ارتفاعات عالية؛ وتجارب مدافع الإلكترونات المحمولة على الصواريخ. ^{[ 9 ]} يمكن أن تحدث هذه الإثارة أيضًا عندما يمتص الغاز الضوء أو أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر. تكون الحالات المثارة غير مستقرة وتعود بشكل طبيعي إلى الحالة الأرضية. على مدى فترات زمنية قصيرة مختلفة بعد الإثارة (عادةً جزء من الثانية، أو أحيانًا أطول من ثانية إذا كانت الحالة المثارة شبه مستقرة )، تحدث انتقالات من حالات إلكترونية أعلى إلى حالات إلكترونية أدنى، وفي النهاية إلى الحالة الأرضية، وينتج عن كل انتقال انبعاث فوتون . يُعرف هذا الانبعاث باسم التألق . تُسمى الحالات الإلكترونية الأعلى تباعًا بشكل اصطلاحي${\displaystyle A}$،${\displaystyle B}$،${\displaystyle C}$إلخ. (لكن هذا الاصطلاح لا يُتبع دائمًا، وأحيانًا تُستخدم الأحرف الصغيرة والأحرف غير المرتبة أبجديًا، كما في المثال المذكور أدناه). يجب أن تكون طاقة الإثارة أكبر من أو تساوي طاقة الحالة الإلكترونية حتى تحدث الإثارة.

في نظرية الكم، يتم تمثيل الحالة الإلكترونية لجزيء ثنائي الذرة بالرمز الجزيئي حيث${\displaystyle S}$يمثل العدد الكمي للدوران الإلكتروني الكلي،${\displaystyle \Lambda }$يمثل العدد الكمي لعزم الدوران الإلكتروني الكلي على طول المحور بين النواتين، و${\displaystyle v}$هو العدد الكمي الاهتزازي.${\displaystyle \Lambda }$تأخذ القيم 0، 1، 2، ...، والتي يتم تمثيلها بواسطة رموز الحالة الإلكترونية${\displaystyle \Sigma }$،${\displaystyle \Pi }$،${\displaystyle \Delta }$... على سبيل المثال، يسرد الجدول التالي الحالات الإلكترونية الشائعة (بدون أرقام الكم الاهتزازية) بالإضافة إلى طاقة أدنى مستوى اهتزازي (${\displaystyle v=0}$) من النيتروجين ثنائي الذرة (N ₂ )، وهو الغاز الأكثر وفرة في الغلاف الجوي للأرض. ^{[ 10 ]}

الرموز السفلية والعلوية بعد${\displaystyle \Lambda }$قدّم تفاصيل إضافية حول ميكانيكا الكم فيما يتعلق بالحالة الإلكترونية.${\displaystyle +}$أو${\displaystyle -}$يحدد ما إذا كان الانعكاس في مستوى يحتوي على المحور بين النواتين يُحدث تغييرًا في إشارة الدالة الموجية.${\displaystyle g}$أو${\displaystyle u}$ينطبق هذا على جزيئات الذرات المتطابقة، وعند عكس الحالة على طول مستوى عمودي على المحور الجزيئي، يتم تصنيف الحالات التي لا تتغير.${\displaystyle g}$(gerade)، وتُصنّف الولايات التي تُغيّر الإشارة على أنها${\displaystyle u}$(ungerade).

ولاية	الطاقة [ أ ] (${\displaystyle T_{0}}$(سم -1 )
${\displaystyle X^{1}\Sigma _{g}^{+}}$	0.0
${\displaystyle A^{3}\Sigma _{u}^{+}}$	49754.8
${\displaystyle B^{3}\Pi _{g}}$	59306.8
${\displaystyle W^{3}\Delta _{u}}$	59380.2
${\displaystyle B'^{3}\Sigma _{u}^{-}}$	65851.3
${\displaystyle a'^{1}\Sigma _{u}^{-}}$	67739.3
${\displaystyle a^{1}\Pi _{g}}$	68951.2
${\displaystyle w^{1}\Delta _{u}}$	71698.4

يحدث التألق المذكور آنفًا في مناطق متميزة من الطيف الكهرومغناطيسي ، تُسمى " نطاقات الانبعاث ": يتوافق كل نطاق مع انتقال معين من حالة إلكترونية ومستوى اهتزازي أعلى إلى حالة إلكترونية ومستوى اهتزازي أدنى (عادةً، تشارك مستويات اهتزازية متعددة في غاز مُثار من جزيئات ثنائية الذرة). على سبيل المثال، _N2${\displaystyle A}$-${\displaystyle X}$توجد نطاقات الانبعاث (المعروفة أيضًا باسم نطاقات فيغارد-كابلان) في النطاق الطيفي من 0.14 إلى 1.45 ميكرومتر. ^{[ 9 ]} يمكن أن يمتد نطاق معين على عدة نانومترات في فضاء الطول الموجي الكهرومغناطيسي، نظرًا للانتقالات المختلفة التي تحدث في العدد الكمي الدوراني للجزيء.${\displaystyle J}$تُصنف هذه إلى فروع نطاقات فرعية متميزة، اعتمادًا على التغير في${\displaystyle J}$[ ^{11 ]} الـ^​${\displaystyle R}$الفرع يتوافق مع${\displaystyle \Delta J=+1}$، ال${\displaystyle P}$الفرع إلى${\displaystyle \Delta J=-1}$و${\displaystyle Q}$الفرع إلى${\displaystyle \Delta J=0}$تتباعد النطاقات بشكل أكبر بسبب الدقة الطيفية المحدودة للمطياف المستخدم لقياس الطيف . وتعتمد الدقة الطيفية على دالة انتشار النقطة للجهاز .

يُعدّ رمز المصطلح الجزيئي تعبيرًا مختصرًا عن الزخم الزاوي الذي يُميّز الحالات الكمومية الإلكترونية لجزيء ثنائي الذرة، وهي أيضًا حالات ذاتية لهاملتونيان الجزيء الإلكتروني . ومن الشائع أيضًا تمثيل الجزيء ثنائي الذرة بكتلتين نقطيتين متصلتين بنابض عديم الكتلة. ويمكن تقسيم الطاقات المُتضمنة في حركات الجزيء المختلفة إلى ثلاث فئات: طاقات الانتقال، والدوران، والاهتزاز. ويمكن وصف الدراسة النظرية لمستويات طاقة الدوران للجزيئات ثنائية الذرة باستخدام الوصف الموضح أدناه لمستويات طاقة الدوران. بينما يمكن وصف دراسة مستوى طاقة الاهتزاز للجزيئات ثنائية الذرة باستخدام تقريب المذبذب التوافقي أو باستخدام كمونات التفاعل الاهتزازي الكمومي. ^{[ 12 ] [ 13 ]} تُعطي هذه الكمونات مستويات طاقة أكثر دقة لأنها تأخذ في الاعتبار تأثيرات اهتزازية متعددة.

فيما يتعلق بالتاريخ، فإن أول معالجة للجزيئات ثنائية الذرة باستخدام ميكانيكا الكم كانت من قبل لوسي مينسينغ في عام 1926. ^{[ 14 ]}

يمكن الحصول على الأرقام الكمية الجيدة لجزيء ثنائي الذرات، بالإضافة إلى التقريبات الجيدة لمستويات الطاقة الدورانية، عن طريق نمذجة الجزيء باستخدام حالات هوند .

تم ابتكار أساليب التذكر التالية: BrINClHOF (تُنطق "برينكلهوف")، ^{[ 15 ]} وHONClBrIF (تُنطق "هونكلبريف")، ^{[ 16 ]} وHOBrFINCl (تُنطق "هوبرفينكل")، و HOFBrINCl (تُنطق "هوفبرينكل")، وذلك لتسهيل تذكر قائمة العناصر ثنائية الذرة. وهناك طريقة أخرى، بالنسبة للناطقين باللغة الإنجليزية، وهي الجملة: " لا تخف أبدًا من البيرة المثلجة " كرمز للعناصر: النيتروجين، والهيدروجين، والفلور، والأكسجين، واليود، والكلور، والبروم.

• تناظر الجزيئات ثنائية الذرة
• طريقة AXE
• عنصر ثماني الذرات
• الرابطة التساهمية
• الغاز الصناعي

• هوبر، ك.ب.؛ هيرزبرغ، ج. (1979). الأطياف الجزيئية والبنية الجزيئية IV. ثوابت الجزيئات ثنائية الذرة . نيويورك: فان نوستراند: رينهولد.
• تيبلر، بول (1998). الفيزياء للعلماء والمهندسين: المجلد 1 (  الطبعة الرابعة). دبليو إتش فريمان. رقم ISBN 1-57259-491-8.

• الفيزياء الفائقة – الأطياف الدورانية للجزيئات الدوارة الصلبة
• الفيزياء الفائقة – المذبذب التوافقي الكمي
• الكيمياء ثلاثية الأبعاد – الكيمياء، والهياكل، والجزيئات ثلاثية الأبعاد
• مركز البنية الجزيئية بجامعة إنديانا ( IUMSC)