XXVI
LA ESTR
UCTURA DE LAS MOLÉCULAS DE N2, O2 Y F2
Po r e l d o c t o r A DO L F O T . W I L L I A M S
A B S T R A C T
T h e s t r u c t u r e o f t h e m o le c u le s o f N 2, O 2 a n d F 2. — T h e h yp o t h e s i s o f Le w is - La n g r n u ir a n d N ive n a r e d iscu s s e d . F o l l o w i n g t h e la t t e r , w i t h s o m e a lt e r a t i o n s w h e n r e fe r r e d to F , w e m a y e s t a b lis h t h e fo l lo w i n g co n clu s i o n s : i s t . M o le cu le s o f N 2, O 2 a n d F 2 a r e a s ym m e t r i c a n d a r e fo r m e d o f a n e ga t ive io n , s im ila r in co n fi gu r a t io n t o N e o n a t o m , t h e e le ct r i ca l ch a r ge o f w h i c h is e q u a l to t h e n o r m a l va le n c y o f t h e a t o m co n s i d e r e d , a d d e d to a p o s it ive io n o f sim i l a r co n fi gu r a t io n t o t h a t o f t h e a t o m s o f Be , G a n d 0, r e s p e ct iv e ly.
2 n d . T h e s im il a r it y w i t h t h e N e o n a t o m , o f t h e m o le cu le s o f N 2, O 2 a n d F 2 d ecr ea se s in t he o r d e r n a m e d .
3r d . A co n s e q u e n ce o f t h e a fo r e m e n t io n e d co n clu s i o n a r e t h e fe ll o w i n g r e la t io n s in s om e p r o p er t ie s : a) T h e a b s o r p t io n o f li g h t , vis ib le a n d u lt r a vio le t , in cr e a s e s fr o m N 2 t o F 2 ; b) P ot e n t ials o f io n iza t io n d e cr e a s e in t h e s a m e o r d e r ; c) Ch e m i c a l a ffin it y n u ll in N e is g r e a t in F .
L A E S T R U C T U R A D E L A S M O L É C U L A S D E N 1, Oi Y F
2I . INTRODUCCIÓN
E n est a n o t a n o s p r o p o n e m o s h a ce r u n s u cin t o e xa m en cr ít ico d e a lg u n a s co n s e cu e n cia s de la t eo r ía d e L e w is - L a n g m u ir y d e la m á s r ecien te fo r m u la d a p o r ISiven (*), en lo q u e r esp ect a a la e s t r u ct u r a d e lo s e le m en t os ga seosos b ia t ó m ico s . T a m b ié n n o s o cu p a r e m o s d e a lgu n a s r e la cio n es existen t es en tr e la e s t r u ct u r a m o le cu la r y a lgu n a s p r o p ie d a d e s , sob r e t o d o , lo s p o t en cia le s d e io n iza ció n , la a b s o r ció n d e la lu z y la afi n id a d q u ím ica .
E l p r o b le m a d e la e st r u ct u r a d e la s m o lé cu la s d ia t ó m ica s n o p o la r es está en d et er m in a r la n a t u r a leza d e la s fu er za s a t r a ct iva s q u e m a n t ien en u n id o s d os á t o m o s id é n t ico s . E n u n o s ca sos se s u p o n e q u e la liga zó n d e lo s á to m o s se d eb e a elect r o n es q u e son co m u n e s a a m b o s n ú cle o s (s h a r ed elect r on s d e L e w is , elect r on es b in u cle a r e s ), va le d e cir d e e lect r o n es q u e
están b a jo la in flu e n cia a t r a ct iva de lo s d os n ú cle o s . E n ot r os ca so s, en ca m b io , se a d m ite q u e lo s ele ct r o n e s d ep en d en , e xclu s iva m e n t e , d e u n o u ot r o de lo s n ú cle o s a t ó m ico s ( 2).
La e c u a c ió n :
en la cu a l £ (e) es el n ú m er o de elect r o n es d e va le n cia d el á t o m o co n s id e
r a d o (7 p ar a N, 6 p a r a O , e t c.), £ (s) el n ú m e r o de elect r o n es d e va le n cia
q u e n o en tr an en ju e g o en la co m b in a ció n y D el n ú m er o de d u p lels , es
d ecir , el n ú m er o d e p a r es d e elect r o n es q u e están b a jo la a cció n de a m b os n ú cle o s , p er m it e ca lcu la r D , d e a cu er d o co n la t eor ía gen er a liza d a de la va le n cia d e La n gm u ir ( 3).
( 1) G. D. Niven, P h i l. M a g . (7) 3, p ágin a i3iq , 1927.
( 2) B u ll, o f t h e N a t io n a l R es ea r ch C o u n c il, 1 1, parte 3*, M o le cu la r S p e ct r a in G a s es , págin a 3o5.
C O N T R I BUC I Ó N A L E S TU D IO D E L AS C IE N C IA S F Í S IC A S Y M A T E M A T IC A S
La e cu a ció n ( i ) da p ar a D los va lo r es 3, 2 y i segú n se trate del IN
d el O o d el F .
La s m o lécu la s <lel o xígen o y d el flú o r , segú n la h ip ót esis de
Lewis-F i g u r a i
La n gm u ir , son sim ét r ica s com o lo m u estr a la figu r a 1 d on d e P es el p lan o de sim et r ía ; la m o lé cu la de n it r ógen o es tam b ién sim ét r ica segú n puede verse en el co n o cid o m o d elo d e lo s m ism o s au tor es, p er o, en cam b io,
n o se cu m p le la co n d ición estab leci da p or la ecu a ció n (1) , p u esto que n o es p osib le h acer la liga zón de dos átom os cu a n d o se ver ifica D = 3.
E l m od elo d in á m ico , cu an d o se a d m ite la h ip ót esis de los electron es b in u clea r es, t a m b ién da m olécu las sim ét r ica s.
La teor ía de INiven ad m ite la exis ten cia de electr on es p r op ios para cad a n ú cleo, y su p on e qu e la fuerza de a tr a cción qu e m an tien e u n id os los átom os en la s m o lécu la s de que n os ocu p a m os, se d ebe al proceso
siguien te. En el caso del nitrógeno, por ejem plo, cu yo átom o tiene la estructura ( i ,)2 (2 ,)2 (2 2)3, la molé cula se for m a por el paso de tres electrones (2 2) de un átomo a otro, lo que da lu gar a la for m ación de un ion n egat ivo con un a carga — 3e
Eu una p alabr a, se trata ele u n p r oceso an á logo al de la for m ación de las m olécu las p olar es. Lo s e s q u e m a s de la figu r a 2 m u est r an la d ist r ibu ción de los elect r on es y la asim et r ía de las m olécu la s segú n Niven .
2. D I SCU SI O N DE LA. T E O R I A D E N I VE N
a fin de exp lica r la gr an act ivid a d q u ím ica d el flú or , n o es acep t able, entre otras razones, p or qu e a t r ib u ye al
ión flú or u n a valen cia igu a l a 5.
Cr e e m o s , p u e s , m á s a cer t a d o a d m it ir p ar a la e s t r u ct u r a d e la r e fer id a m o lé cu la la esq u em a tiza d a en la figu r a 3.
Ad m it ie n d o n u est r a h ip ó t e s is p o d e m o s est a b lecer la s s igu ie n t e s
co n clu s io n e s so b r e la co n s t it u ció n d e la s m o lé cu la s d e N.,, O 2 y F s :
a ) La s m o lé cu la s en cu es t ió n est a r ía n co n s t it u id a s p o r u n ió n d e co n fi
gu r a ció n a n á lo ga a l Ne con u n a ca r ga e lé ct r ica n e ga t iva igu a l a la va le n cia n o r m a l d el á t o m o co n s id e r a d o , u n id o a u n ió n p o s it ivo d e e st r u ct u r a a n á lo ga a la de lo s á t o m o s de Be, C y O , r e s p e ct iva m e n t e ( 1) ;
b) La a sim et r ía va d is m in u ye n d o d e la m o lé cu la d e N 2 a la d e F 2, ; d e
a h í q u e la m o lé cu la de n it r ó gen o se a sem eje m á s a l á t o m o d e N e q u e la de o xíge n o , y ésta m á s q u e la d e flú o r . E sa e s la r a zón , a n u est r o ju ic io , d e q u e la s p r o p ied a d es, tan to fís ica s co m o q u ím ica s , d el n it r ó ge n o se p a r ez ca n m á s a la s d el n eon , y q u e d ich a sem eja n za se h a ga m u y p eq u eñ a p a r a el O y n u la p ar a el flú o r .
(1) E n la p á g in a 4o5 p r o p o n e m o s o t r a e s t r u c t u r a d e a c u e r d o c o n la t e o r ía d e D e b y e .
S e r ie m a t em á t ico -física : W i l l i a m s , M o lé cu la s d e N i , 0„ y F .
C O N T R I BUC I Ó N AL E S TU D IO D E L AS C IE N C IA S F I S I C A S Y M A T E M A T IC A S
3. C O N S I D E R A C I O N E S R E S P E C T O D E A L G U N A S P R O P I E D A D E S F Í S I C A S Y Q U Í M I C A S
a) P o t e n cia le s ele io n iza ció n d e la s m o lé cu la s. Segú n los d atos qu e
trae Víct o r H en r i ( 1) se tien en los sigu ien tes va lor es :
q u e exp r esa d os en ca lor ía s, d ad o qu e :
d an :
lo q u e está de a cu er d o con n u estr a h ip ó t esis ;
b) La afin id ad q u ím ica . Se tien en la s sigu ien tes ecu a cion es t er m oq u í- m ica s qu e dan el ca lo r de co m b in a ció n con 3H 2 :
q u e están en el or d en p r evist o;
c) La a b so r ción de la lu z está r ela cion a d a , com o es sa b id o, con el p o
t en cia l de ion iza ción ; va le d ecir q u e, a m ed id a q u e éste cr ece, las ban d as de a b so r ción se d esp lazan h a cia el u lt r a vio let a . P o r esa razón , la a b sor ción en tre i5oo y 70 0 0 U . A., p r á ct ica m en t e n u la p ara el n it r ógen o,
se h ace p r o n u n cia d a p ar a el o xígen o en tre i5o o y 190 0 y p ar a el flú or , m u y p r o b a b lem en t e, se h a lla situ a d o el m á xim o a lr ed ed or de 3o o o L . A. (fig. 4) ( 2). P o d em o s, p u es, d ecir q u e a m ed id a q u e a u m en ta la asim
e-(1) Y . H e n r i , S t r u c t u r e d es M o le c u le s, p á g in a G8 , P a r ís , 1 9 2 5 .
( / ) G o m o n o so c o n o c e e l e s p e c t r o d e a b s o r c ió n d e l F 2 g a s e o s o , h e m o s d i b u j a d o la c u r v a c o
r r e s p o n d ie n t e a l G l 3 d e a c u e r d o c o n lo s c o e fic ie n t e s d e a b s o r c ió n d e t e r m in a d o s p o r G . R i b a u d ,
t r ía m o le cu la r , a u m en t a la t r a n s p a r en cia p a r a la s r a d ia cio n e s d e i 5 o o a 70 0 0 U . A.
E n a p o yo d e n u est r a h ip ó t e s is e xa m in a r e m o s el ca so d el ozon o. Se gú n
la e cu a ció n ( 1) la m o lé cu la d e O 3 ser ía a s im é t r ica p u est o q u e D = 3, es d ecir q u e lo s á to m o s est a r ía n liga d o s en la fo r m a : O = O — O ; en ca m b io , s e gú n N ive n , la m o lé cu la de ozon o ser ía s im é t r ica co m o lo in d ica
la figu ra 5, y es bien sabido qu e el O 3 tiene u n a ban d a de absor ción ca racter ística (véase figu ra / i).
4 - LA AS I M E T R Í A M O LE CU LAR
d on d e ¡j, es el m o m en t o e lé ct r ico d el d ip o lo , I su la r go , y E la ca r ga de
ca d a u n o de lo s p o lo s.
Co n s id e r a n d o a la s m o lé cu la s co m o p o la r e s se t ien e, s e gú n D e b ye :
Ad em á s
d on d e k es la co n st a n t e d e Bolt zm a n n , M la m asa m o le cu la r , o la d en
sid a d , N el n ú m er o de Avo ga d r o , y a la con stan te de la fo r m u la de van d er W a a ls ( 1).
Con los va lor es de a , segú n D eb ye (2), y tam b ién con los cit a d os p or Getm a n ( 3), h em os ca lcu la d o los sigu ien tes va lo r es de jjl :
P a r a el oxígen o :
C O N T RI B UCIÓ N A L ES TU D IO D E L AS C IE N C IA S F Í S IC A S Y M A T E M A T IC A S
P ara el n it r ó gen o :
Si se a d m ite qu e E = 3e p ar a el N y 2e p ar a el O, se ten d rá qu e los
la r gos de los d ip o lo s estarán en la r ela ció n
Es ló gico a d m it ir q u e el d iá m etr o m o le cu la r <7 y el área S, d efin id os p or las fór m u la s de la teor ía cin ét ica :
y
d on d e z a es el r a d io a p ar en te y s v el r a d io ver d a d er o a la tem p er a tu r a T,
estarán en la m ism a r ela ció n q u e el la r go de los d ip o lo s. Sin em b a r go se tien e :
( 1) V. He n r i, obra citada, página 16.
('2) P . De b y e, P I iy s . Z e ils c h r if l92 1 , p á gin a 18 2, 1920 .
s ien d o , co m o se ve , m á s a p r o xim a d a la co n co r d a n cia cu an d o se a d m it e n
lo s va lo r e s d e ;j. c a lcu la do s con. lo s va lo r e s d e a d a d o s p o r D e b y e .
E s t o s r e su lt a do s n o s lle va n a p e n s a r qu e , d e ser vá lid a la e cu a
ción ( 5 ) , la s m o lé cu la s d e O y d e N ser ía n a s im é t r ica s , p e r o d e un a
.a sim et r ía m e n o s m a r ca d a qu e la e s q u e m a t iza d a en la s figur a s 2 y 3.
H a b r ía qu e a d m it ir qu e la c ar g a d e lo s d ip o lo s es E = e en la s m o lé cu la s co n s id e r a d a s , y qu e , a d e m á s , en la m o lé cu la d e O e xis t e un e le c
t r ó n b inu cle ar y d o s en la d e N . L a
figur a 6 mu e s tr a la e s t ru ct ur a qu e
pr o p o n e m o s p a r a la s m o lé cu la s d e
IS. Y O 3.
E n el ca s o d e l O 2 un o d e lo s nú cle o s estar á r od ea d o p o r la s igu ie n t e d is t r ib u ció n d e e le ct r o n e s : ( i , ) 2 ( 2 ,) 2
( 2 , ) 5 (ca r ga = — e), y el ot r o n ú cle o
p o r lo s elect r on es ( i, ) 2 ( 2 , ) 2 ( 2 , ) 3
(ca r ga = -)- e) ; y p a r a el n it r ó ge n o la d is t r ib u ció n ser ía la s igu ie n t e :
( I1) 2 ( 2, ) 2 ( 2 , ) 4 (ca r ga = — é ) y ( i, ) 2 ( 2 , ) 1 ( 22) 2 (ca r ga = + <?)• E n el o xíge n o u n o de lo s elect r o n es ( 2 2) ser ía b in u cle a r , y en el n it r ó ge n o lo ser ía n d os elect r on es ( 2 2). T e n d r ía m o s a sí q u e lo s á t o m o s , en la m o lé cu la d e o xíge n o , est a r ía n liga d o s p o r la a t r a cció n d e la s ca r ga s —j— e y — e y
p o r u n elect r ó n b in u c le a r ; en el ca so d el n it r ó ge n o ser ía n d os los e le c t r o n es b in u cle a r e s y , en ca m b io , p a r a el flú o r só lo e xis t ir ía la a t r a cció n d e la s ca r ga s —J— e y — e. D e a h í la e s t a b ilid a d cr e cie n t e d e la m o lé cu la
a l p a sa r d el F al N .
Ad em á s M u llik e n (*), en su s r ecien t es e st u d io s sob r e la e st r u ct u r a d e la s m o lé cu la s , h a p r o p u es t o la s sigu ie n t e s co n figu r a cio n e s :
q u e son , evid en t em en t e, a sim ét r ica s.
( 1) R . S. M l llik e n , P h y s . Ft e v ., 3 1 , p á gin a 706, 1928. ( A b s t r a ct . M eet in g A m er ica n P h y s ic a l S o c ie t y1 feb r er o de 19 2 8 .)
S er ie m atem ático-física : W i l l i a m s , M oléculas de N i , O2 y F i
Fin a lm en t e, las exp er ien cia s r ealizadas p or Lor d Ra yleigh , Ga n s r Ra m a n a t h a m y ot r os sobr e la d ifu sión de la luz por las m olécu la s, han d em ost r ad o la asim et r ía de las m ism a s.
5. CO NC L U S IO NE S
Ya se acept e la teoría de Niven o se a p liqu en las con secu en cias de la h ip ót esis de Deb ye, se llega a la con clu s ión de que las molécu la s de los elem en t os gaseosos b iat óm icos son a sim ét r icas. Con s ecuen cia t ambién con fir m ad a por el fen óm en o de la d ifu sión de la luz, y por las r ecientes in vest igacion es de Mu lliken .
Ad o l f o T . W i l l i a m s.
( E n t r e ga d o a la Co m is ió n de pu b lica cion e s el 12 de ju n io de 1928 ; im p r eso en oct u b r e de 1928.)
