Аллотропные модификации водорода

Аллотропные модификации водорода

Для водорода характерен особый вид аллотропии (орто- и пара-формы), связанный с направлением собственного момента вращения протонов (различной ориентацией ядерных спинов в молекуле водорода).

В орто-форме о-H2 (t°пл = -259,20 °C, t°кип = -252,76 °C), оба протона вращаются вокруг своей оси в одинаковых направлениях, т.е. спины ядер параллельны (↓↓).

У пара-водорода p-H2 (t°пл = -259,32 °C, t°кип = -252,89 °C) – в противоположных направлениях и ядерные спины антипараллельны (↓↑).

Обе модификации связаны друг с другом взаимными переходами, которые протекают очень медленно, но могут быть ускорены введением парамагнитных катализаторов (O2, NO2 и др.)

При комнатной температуре водород представляет собой равновесную смесь орто- (75%) и пара-форм (25%). Разделить их можно путем адсорбции на активном угле при температуре жидкого азота. Активный уголь катализирует превращение ортоводорода в параводород.

При низких температурах равновесие o-H2 ↔ p-H2 сдвинуто в сторону образования пара-формы (при температурах, близких к абсолютному нулю, смесь содержит практически только параводород). Десорбированный параводород при комнатной температуре превращается в ортоводород до тех пор, пока не образуется указанная равновесная смесь. Однако это превращение без катализатора идет очень медленно, что дает возможность изучить отдельно свойства орто- и пара-форм водорода.

Обе формы молекулярного водорода различаются по термодинамическим свойствам (теплоемкость, энтропия и т.п.). В химическом отношении поведение обеих модификаций практически тождественно. Существование о-H2 и p-H2 — пример новой разновидности аллотропии. Орто- и пара-модификации характерны не только для протия, но также для молекул дейтерия и трития.