¿Por qué no es posible obtener ortohidrógeno puro?

Question

En la escuela, he aprendido que sólo podemos obtener un contenido de ortohidrógeno hasta el 75%. ¿Por qué podemos obtener una muestra pura de parahidrógeno, pero no de ortohidrógeno? ¿Qué nos impide aislar el orto hidrógeno?

Answer 1

El orto y el para hidrógeno difieren en la alineación de sus espines nucleares. Los dos átomos de hidrógeno tienen cada uno un espín nuclear de 1/2, lo que da lugar a un espín nuclear total de 0 ó 1. Los estados con espín cero se denominan para y los de 1 orto. La combinación de los espines nucleares también da lugar a la formación de una nueva función de onda de espín. Hay 3 posibilidades de obtener un espín nuclear de uno con una función de onda par y hay una posibilidad de obtener un espín de cero con una función de onda impar. La función de onda global de la molécula de hidrógeno viene dada por el producto de las funciones de onda electrónica, vibracional, rotacional y de espín y debe ser antisimétrica con respecto al intercambio de los núcleos fermiónicos del hidrógeno. Dado que el estado básico electrónico del hidrógeno molecular es par y la función de onda vibracional de una molécula diatómica es siempre par, la función de onda del parahidrógeno debe combinarse con los estados rotacionales pares y orto con los estados rotacionales Impares. El estado básico absoluto del hidrógeno molecular es, por tanto, el estado rotacional con rotación cero y es, por tanto, para. El siguiente estado, con un quantum de rotación, es orto.

Sólo se puede convertir el orto y el parahidrógeno entre sí mediante colisiones o reacciones químicas. Para fabricar parahidrógeno puro, se utiliza un catalizador a muy baja temperatura. Debido a la baja temperatura, todo el hidrógeno producido acabará en el estado básico absoluto, es decir, en el parahidrógeno. No se puede producir orto hidrógeno de esta manera porque no representa el estado básico absoluto del sistema. El 75% proviene de la degeneración del factor de Boltzmann: a baja temperatura (sin catalizador de reacción) hay tres veces más moléculas de orto con espín 1 que moléculas de para con espín cero.

Aunque no se puede fabricar ortohidrógeno puro, se puede estudiar utilizando láseres estrechos que sólo excitan estados rotacionales Impares.