Isomérie de spin du dihydrogène

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(en) Représentation schématique des spins dans les molécules d'orthohydrogène et de parahydrogène.

L'orthohydrogène est du dihydrogène composé de molécules dans lesquelles les deux protons (un dans chaque atome de la molécule) ont des spins parallèles et de même sens.

Le parahydrogène est du dihydrogène composé de molécules dans lesquelles les deux protons (un dans chaque atome de la molécule) ont des spins antiparallèles.

Orthohydrogène et parahydrogène[modifier | modifier le code]

Les molécules de dihydrogène sont constituées de deux atomes d'hydrogène liés par une liaison covalente. Si on néglige les traces de deutérium ou de tritium qui pourraient être présentes, chaque atome d'hydrogène ne comprend qu'un proton. Ce proton a un moment magnétique associé appelé spin, que l'on peut considérer comme généré par la rotation du proton sur lui-même (même si cette représentation est complètement fausse au sens de la physique quantique). La molécule peut donc être constituée soit de deux protons alignés dans une même direction (c'est l'orthohydrogène) ou dans des directions opposées (c'est le parahydrogène).

Le spin nucléaire total des deux noyaux de l'orthohydrogène est I = 1, de sorte que c'est un état triplet avec trois valeurs possible de la composante de spin sur un axe défini, à savoir MI = 1, 0 ou −1. Les fonctions d'onde de spin nucléaire qui y correspondent sont α1α2, (α1β2 + β1α2)/(21/2), et β1β2 (où α et β sont les états de spin d'un seul proton de MI = +1/2 et -1/2 respectivement). Le parahydrogène par contre est un état singulet avec nombres quantiques de spin nucléaire I = 0 et MI = 0 et fonction d'onde (α1β2 – β1α2)/(21/2). À température ambiante l'orthohydrogène est trois fois plus abondant, en conséquence de sa dégénérescence de spin nucléaire.

Le proton est un fermion ; la fonction d'onde totale de la molécule doit donc être antisymétrique par rapport à la permutation des deux protons. Cette condition impose une restriction sur les niveaux rotationnels possibles de chaque forme de H2. Le parahydrogène possède une fonction d'onde antisymétrique de spin nucléaire et doit alors posséder une fonction d'onde rotationnelle symétrique. Il est restreint alors aux niveaux rotationnels pairs (nombre quantique rotationnel J = 0, 2, 4, 6, ...). L'orthohydrogène par contre possède une fonction symétrique de spin nucléaire et alors une fonction rotationnelle antisymétrique, ce qui le restreint aux niveaux rotationnels impairs (J = 1, 3, 5, 7, ...). À basse température presque tout l'orthohydrogène est au niveau J = 1.

L'orthohydrogène au niveau J = 1 est instable à basse température et se transforme spontanément en parahydrogène au niveau J = 0 avec le temps, ce qui libère une chaleur indésirable. À température ambiante, l'hydrogène comprend 75 % d'orthohydrogène, proportion que le processus de liquéfaction préserve. Il faut soit utiliser un catalyseur pour accélérer la conversion de l'hydrogène en parahydrogène, soit fournir une réfrigération supplémentaire pour absorber la chaleur qui se dégagera de l'hydrogène liquide au fur et à mesure de sa conversion spontanée.

Source[modifier | modifier le code]