8.7: El Ion de Hidrógeno Negativo

La palabra “ion” en la fase gaseosa es a menudo pensada como el remanente cargado positivamente de un átomo que ha perdido uno o más electrones. Sin embargo, cualquier átomo cargado eléctricamente (o molécula o radical), ya sea cargado positivamente (como resultado de la pérdida de un electrón) o cargado negativamente (que tenga un electrón adicional) puede llamarse correctamente un “ion”. En esta sección, nos interesa el ion hidrógeno negativo,\(\text{H}^−\), un sistema unido que consiste en un protón y dos electrones.

La formación de tal ion puede describirse cualitativamente, en términos clásicos, de la siguiente manera. Un átomo de hidrógeno, que consiste en un protón y un electrón, es abordado por un segundo electrón. El campo eléctrico del segundo electrón (que cae con la distancia as\(r^{−2}\)) induce un momento dipolar en el átomo de hidrógeno neutro, estando los dos electrones entonces en lados opuestos del protón. El momento dipolo inducido es proporcional al campo eléctrico del electrón polarizador, y por lo tanto a\(r^{−2}\). El segundo electrón ahora se encuentra inmerso en el campo eléctrico del dipolo que él mismo ha inducido en el\(\text{H}\) átomo neutro, y puede ser capturado por él. El campo del dipolo cae es proporcional a\(p/r^3\), donde\(p\), el momento dipolo inducido, ya es proporcional a\(r^{−2}\). Así la fuerza entre el átomo de hidrógeno neutro (pero dipolar) y el segundo electrón intruso cae como\(r^{−5}\), y el segundo electrón se mueve en un potencial que varía como\(r^{−4}\). Debido a esto, la estructura del nivel de energía de\(\text{H}^−\) es muy diferente a la de\(\text{H}\). En\(\text{H}\), el potencial cae como\(r^{−1}\), lo que resulta en la familiar serie infinita de niveles de Rydberg. Para un potencial de la forma\(r^{−n}\), si\(n > 1\) la ecuación de Schrödinger predice un número finito de niveles unidos por debajo del límite de ionización, y, en el caso de\(\text{H}^−\), solo hay un nivel limitado, y es un mero\(0.7 \ \text{eV}\) por debajo del límite de ionización. El\(0.7 \ \text{eV}\) puede denominarse el potencial de ionización del\(\text{H}^−\) ion o la afinidad electrónica del\(\text{H}\) átomo. ¡Quizás sea preferible este último término, porque es un poco extraño referirse a eliminar un electrón del\(\text{H}^−\) ion (para que entonces ya no sea un ion) como “ionización”! Como pudo haber dicho el profesor Joad: “Todo depende de lo que se entiende por 'ionización'”. En cualquier caso, un electrón se puede eliminar fácilmente\(\text{H}^−\) ya sea por una colisión leve o por cualquier fotón de longitud de onda (vacío) más corta que aproximadamente\(1771 \ \text{nm}\).

En la atmósfera solar, la mayoría de los átomos de hidrógeno son neutros y tienen el electrón en la\(n = 1\) cáscara (\(K\)concha). Sólo unos pocos están en forma de\(\text{H}^+\) o\(\text{H}^−\). (No estoy seguro de inmediato cuál es más numeroso,\(\text{H}^+\) o\(\text{H}^−\) − eso sería una buena discusión a la hora del almuerzo.) Pero debido a que\(\text{H}^−\) es tan fácilmente despojado de un electrón por casi cualquier fotón viejo,\(\text{H}^−\) hace una contribución apreciable a la opacidad continua de la atmósfera solar. La absorción continua puede ser por transiciones “bf” (libres de límites) o las llamadas transiciones “ff” (libre-libre). En este último caso el segundo electrón está desligado, pero se desvía en el campo del dipolo que él mismo ha inducido en el\(\text{H}\) átomo neutro.