Mecanismo de interconversión de los isómeros de espín del hidrógeno

Question

¿Cuál es el mecanismo por el que el ortho - y para - ¿los isómeros de hidrógeno se interconvierten?

Si este mecanismo existe, ¿significa esto que ortho -¿el hidrógeno aumenta su concentración al aumentar la temperatura?

Answer 1

La primera pregunta es:

¿Cuál es el mecanismo por el que los isómeros de espín del hidrógeno cambian entre las formas orto y para?

Hay una explicación en ChemPhysChem 2006, 7 (3), 551-554 (versión sin muro de pago) aquí ):

Se pueden definir tres situaciones. En la primera, se produce una conversión magnética sin que se produzca un alargamiento o rotura del enlace. Por ejemplo, en el dihidrógeno sólido, las interacciones nucleares magnéticas dipolares son responsables de una conversión de espín extremadamente lenta[4]. En presencia de electrones no apareados, la conversión se acelera por la interacción magnética hiperfina[5] La segunda situación también implica un mecanismo de conversión magnética, pero está asistida por una elongación intermedia del enlace H-H, por ejemplo, por la unión a un centro de metal de transición. Por último, en la tercera situación, se produce una ruptura del enlace H-H y una nueva formación con otros átomos de hidrógeno, lo que corresponde a una conversión química de espín.

La segunda pregunta es:

Si existe este mecanismo, ¿por qué el orto-hidrógeno no aumenta su concentración al aumentar la temperatura?

La fracción de equilibrio del orto-hidrógeno aumenta del 0% en el cero absoluto al 75% a alta temperatura.

para -El hidrógeno es la forma más estable y de menor energía, ya que es capaz de acceder al $J=0$ nivel de rotación (mientras que ortho -hidrógeno no puede). Hay tres microestados correspondientes a ortho -Hidrógeno:

$$|\!\uparrow\uparrow\rangle, |\!\downarrow\downarrow\rangle, |\!\uparrow\downarrow\rangle + |\!\downarrow\uparrow\rangle,$$

pero sólo un microestado para para -Hidrógeno:

$$|\!\uparrow\downarrow\rangle - |\!\downarrow\uparrow\rangle.$$

Así, según el Distribución de Boltzmann la fracción de equilibrio de ortho -el hidrógeno pasa del 0% a 0 K al 75% a temperatura infinita (en la práctica, una temperatura en la que no se aprecian los efectos de la cuantificación rotacional).