„Fast alle Moleküle, denen man im täglichen Leben begegnet, existieren in einem Singulett-Zustand, aber molekularer Sauerstoff ist eine Ausnahme.“
„Die ungewöhnliche Elektronenkonfiguration verhindert, dass molekularer Sauerstoff direkt mit vielen anderen Molekülen reagiert, die oft im Singulett-Zustand vorliegen. Triplett-Sauerstoff reagiert jedoch leicht mit Molekülen in einem Dublett-Zustand, wie etwa Radikalen, um ein neues Radikal zu bilden. ''
Diese Wiki-Seite ist auch relevant. Hier ist ein Bild (das ich nicht lesen kann).
Wie wird diese Triplett-Zustandseigenschaft quantitativ berechnet und warum ist sie ein so außergewöhnliches Merkmal?
Wie kommt der Triplettzustand im Sauerstoff zustande? Bedeuten mehr Elektronen in der Elektronenhülle nicht eine kompliziertere Faktorisierung in Repräsentationen und damit noch kompliziertere Zustände?
Wie wirkt sich das auf die thermodynamischen Eigenschaften des Elements aus und wo ist der thermodynamische Unterschied (neben der unterschiedlichen Energie) zum Singulettzustand? Wie sind die Reaktionsmerkmale zu verstehen?
Woher kommt die Energiedifferenz der beiden Zustände? Ein Blick ins Periodensystem der Elemente hat oder ähnliche Eigenschaften?
Übrigens. Ich habe nichts gegen Mathe, aber ich bräuchte wahrscheinlich Erklärungen für Ausdrücke wie .
Es werden hier viele Fragen gestellt, aber ich werde versuchen, einige davon zu beantworten ...
Sauerstoff wird im Triplett-Zustand gefunden, weil der Triplett-Zustand am stabilsten ist. Dies ist eine komplexe Funktion der Eigenschaften der Atome (z. B. Ladung und Abstand zwischen den Atomen) und der Elektronen (z. B. Anzahl der vorhandenen Elektronen, mögliche Kombinationen von Orbitalen). Die auf der Wiki-Seite angegebenen Molekülorbitale zeigen drei verschiedene Zustände:
: Der Triplett-Grundzustand
: Der Singulett-Grundzustand
: Ein angeregter Singulett-Zustand
Diese Symbole sind bei Wikipedia gut erklärt . Kurz gesagt, ein Triplettzustand hat zwei Elektronen mit parallelen Spins, zum Beispiel die beiden roten Pfeile, die in der nach oben zeigen MO-Diagramm.
Untersuchen wir die Energie eines Sauerstoffmoleküls als Funktion des Abstands zwischen den Sauerstoffatomen, können wir aufdecken, welche dieser Zustände am stabilsten sind. Ein Beispiel dafür wird hier gegeben . Es ist offensichtlich, dass die Zustand ist niedriger als alle anderen Zustände, daher erwarten wir, dass Triplett-Sauerstoff der stabilste Zustand ist.
Es gibt kompliziertere elektronische Konfigurationen , ein Beispiel dafür ist gegeben durch die Zustand. Wir können hier sehen , dass es noch weniger stabil ist als gemahlenes Singulett ( ) Sauerstoff. Diese Variationen in den Energiezuständen entstehen, weil das „Einsetzen“ von Elektronen in verschiedene Orbitale mit unterschiedlichen Spins eine unterschiedliche „Überlappungsgüte“ ergibt .
Es ist zu erwarten, dass sich die thermodynamischen Eigenschaften zwischen den elektronischen Zuständen geringfügig unterscheiden. Dies liegt daran, dass das Molekül unterschiedliche Schwingungszustände hätte, die sich durch statistische Mechanik in unterschiedliche Thermodynamiken „übersetzen“ würden. Ich kann keine Quelle finden, die solche Eigenschaften direkt vergleicht.
Die Reaktionseigenschaften sind natürlich sehr unterschiedlich. Beispielsweise löst sich Triplett-Sauerstoff problemlos in Wasser, aber Singulett reagiert damit. Singulett-Sauerstoff wird oft verwendet, wenn man Doppelbindungen „angreifen“ will. Eine Erklärung dafür, warum dies der Fall ist, ist sehr komplex – aber kurz gesagt, liegt an dem Quantenzustand von Sauerstoff im Vergleich zu den Zuständen der meisten Moleküle, mit denen er zu reagieren versucht.
gigacyan