Ион гидрида гелия

Ион гидрида гелия

Имена
Систематическое название ИЮПАК Гидридогелий(1+) [1]
Другие имена Гелоний Гидрид гелия
Идентификаторы
Номер CAS	13766-24-0 [2] Н
3D модель ( JSmol )	Интерактивное изображение
ЧЭБИ	ЧЕБИ:33688 CHEBI:33689 нейтральный эксимер
ChemSpider	21106447 И
Ссылка Гмелина	2
Панель инструментов CompTox ( EPA )	DTXSID801018818
ИнЧи InChI=1S/HHe/h1H/q+1 И Ключ: HSFAAVLNFOAYQX-UHFFFAOYSA-N И
УЛЫБКИ [HeH+]
Характеристики
Химическая формула	Хе-хе+
Молярная масса	5,01054 г·моль −1
Сопряженное основание	Гелий
Родственные соединения
Родственные соединения	Неоний , Аргоний , Криптоний , Ксеноний
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). Ссылки на инфобокс

Ион гидрида гелия , ион гидридогелия (1+) или гелоний — это катион ( положительно заряженный ион ) с химической формулой HeH ⁺ . Он состоит из атома гелия , связанного с атомом водорода , с одним удаленным электроном . Его также можно рассматривать как протонированный гелий. Это самый легкий гетероядерный ион, и считается, что это первое соединение, образовавшееся во Вселенной после Большого взрыва . ^[3]

Ион был впервые получен в лаборатории в 1925 году. Он стабилен в изоляции, но чрезвычайно реактивен и не может быть приготовлен в больших количествах, потому что он будет реагировать с любой другой молекулой, с которой он вступит в контакт. Отмеченный как самая сильная известная кислота — сильнее даже фторантимоновой кислоты — его появление в межзвездной среде предполагалось с 1970-х годов ^[4] и он был наконец обнаружен в апреле 2019 года с помощью бортового телескопа SOFIA . ^{[5] [6]}

Ион водорода гелия изоэлектронен молекулярному водороду ( H
₂). ^[7]

В отличие от дигидроген-иона H⁺
₂, ион гидрида гелия имеет постоянный дипольный момент , что упрощает его спектроскопическую характеристику. ^[8] Рассчитанный дипольный момент HeH ⁺ составляет 2,26 или 2,84  D. ^[9] Электронная плотность в ионе выше вокруг ядра гелия, чем водорода. 80% заряда электрона ближе к ядру гелия , чем к ядру водорода. ^[10]

Спектроскопическое обнаружение затруднено, поскольку одна из его наиболее заметных спектральных линий, при 149,14  мкм , совпадает с дублетом спектральных линий, принадлежащих радикалу метилидина ⫶ CH. ^[3]

Длина ковалентной связи в ионе составляет 0,772  Å ^[11] или 77,2 пм .

Ион гидрида гелия имеет шесть относительно стабильных изотопологов , которые различаются изотопами двух элементов и, следовательно, общим атомным массовым числом ( A ) и общим числом нейтронов ( N ) в двух ядрах:

• [ ³ He ¹ H] ⁺ или [ ³ HeH] ⁺ ( A = 4, N = 1)  ^{[12] [13]}
• [ ³ He ² H] ⁺ или [ ³ HeD] ⁺ ( A = 5, N = 2)  ^{[12] [13]}
• [ ³ He ³ H] ⁺ или [ ³ HeT] ⁺ ( A = 6, N = 3; радиоактивный)  ^{[14] [12] [15]}
• [ ⁴ He ¹ H] ⁺ или [ ⁴ HeH] ⁺ ( A = 5, N = 2)  ^{[7] [16] [17] [18] [13]}
• [ ⁴ He ² H] ⁺ или [ ⁴ HeD] ⁺ ( A = 6, N = 3)  ^{[16] [13]}
• [ ⁴ He ³ H] ⁺ или [ ⁴ HeT] ⁺ ( A = 7, N = 4; радиоактивный) 

Все они имеют три протона и два электрона. Первые три генерируются радиоактивным распадом трития в молекулах HT = ¹ H ³ H , DT = ² H ³ H , и T ₂ = ³ H ₂ , соответственно. Последние три могут быть получены путем ионизации соответствующего изотополога H ₂ в присутствии гелия-4. ^[7]

Следующие изотопологи иона гидрида гелия, иона диводорода H+2, и триводородного иона H+3имеют одинаковое общее атомное массовое число A :

• [ ³ HeH] ⁺ , [D ₂ ] ⁺ , [TH] ⁺ , [DH ₂ ] ⁺ ( A = 4)
• [ ³ HeD] ⁺ , [ ⁴ HeH] ⁺ , [DT] ⁺ , [TH ₂ ] ⁺ , [D ₂ H] ⁺ ( A = 5)
• [ ³ HeT] ⁺ , [ ⁴ HeD] ⁺ , [T ₂ ] ⁺ , [TDH] ⁺ , [D ₃ ] ⁺ ( A = 6)
• [ ⁴ НеТ] ⁺ , [ТД ₂ ] ⁺ , [Т ₂ Н] ⁺ ( А = 7)

Однако массы в каждой строке выше не равны, поскольку энергии связи в ядрах различны. ^[16]

В отличие от иона гидрида гелия, нейтральная молекула гидрида гелия HeH нестабильна в основном состоянии. Однако она существует в возбужденном состоянии как эксимер (HeH*), и ее спектр был впервые обнаружен в середине 1980-х годов. ^{[19] [20] [21]}

Нейтральная молекула является первой записью в базе данных Гмелина . ^[4]

Поскольку HeH ⁺ реагирует с каждым веществом, его нельзя хранить ни в каком контейнере. В результате его химию необходимо изучать, создавая его in situ .

Реакции с органическими веществами можно изучать, заменяя водород в желаемом органическом соединении тритием . Распад трития до ³ He ⁺ с последующим извлечением им атома водорода из соединения дает ³ HeH ⁺ , который затем окружается органическим материалом и в свою очередь будет реагировать. ^{[22] [23]}

TR → ³ He ⁺ + R ^• ( бета-распад )

³ He ⁺ + HR → ³ HeH ⁺ + R ^• ( отщепление водорода )

HeH ⁺ не может быть получен в конденсированной фазе , так как он отдал бы протон любому аниону , молекуле или атому, с которыми он вступил в контакт. Было показано, что он протонирует O ₂ , NH ₃ , SO ₂ , H ₂ O и CO ₂ , давая HO⁺
₂, Нью-Гэмпшир⁺
₄, HSO+2, H ₃ O ⁺ и HCO+2 соответственно. ^[22] Другие молекулы, такие как оксид азота , диоксид азота , закись азота , сероводород , метан , ацетилен , этилен , этан , метанол и ацетонитрил реагируют, но распадаются из-за большого количества выделяемой энергии. ^[22]

Фактически, HeH ⁺ является самой сильной известной кислотой со сродством к протону 177,8 кДж/моль. ^[24]

Дополнительные атомы гелия могут присоединяться к HeH ^+, образуя более крупные кластеры, такие как He ₂ H ⁺ , He ₃ H ⁺ , He ₄ H ⁺ , He ₅ H ⁺ и He ₆ H ⁺ . ^[22]

Катион дигелия гидрида He ₂ H ⁺ образуется в результате реакции катиона дигелия с молекулярным водородом:

Он⁺
₂+ _Н2 → _Не2Н ⁺ + Н

Это линейный ион с водородом в центре. ^[22]

Ион гидрида гексагелий, He ₆ H ⁺ , особенно стабилен. ^[22]

Известны и другие ионы гидрида гелия, или они были изучены теоретически. Ион дигидрида гелия, или дигидридогелий(1+) , HeH⁺
₂, наблюдался с помощью микроволновой спектроскопии. ^[25] Он имеет расчетную энергию связи 25,1 кДж/моль, в то время как тригидридогелий(1+) , HeH⁺
₃, имеет расчетную энергию связи 0,42 кДж/моль. ^[26]

Гидридогелий(1+), а именно [ ⁴ He ¹ H] ⁺ , был впервые обнаружен косвенно в 1925 году TR Hogness и EG Lunn. Они вводили протоны известной энергии в разреженную смесь водорода и гелия, чтобы изучить образование ионов водорода, таких как H⁺
, Н⁺
₂и Н⁺
₃. Они заметили, что H⁺
₃появился при той же энергии пучка (16 эВ ), что и H⁺
₂, и его концентрация увеличилась с давлением гораздо больше, чем у двух других ионов. Из этих данных они сделали вывод, что H⁺
₂ионы передавали протон молекулам, с которыми они сталкивались, включая гелий. ^[7]

В 1933 году К. Бейнбридж использовал масс-спектрометрию для сравнения масс ионов [ ⁴ He ¹ H] ⁺ (ион гидрида гелия) и [ ² H ₂ ¹ H] ⁺ (дважды дейтерированный триводородный ион) с целью получения точного измерения атомной массы дейтерия относительно гелия. Оба иона имеют 3 протона, 2 нейтрона и 2 электрона. Он также сравнил [ ⁴ He ² H] ⁺ (ион дейтерид гелия) с [ ² H ₃ ] ⁺ ( ион тридейтерия ), оба с 3 протонами и 3 нейтронами. ^[16]

Первая попытка вычислить структуру иона HeH ⁺ (в частности, [ ⁴ He ¹ H] ⁺ ) с помощью квантово-механической теории была предпринята Дж. Бичем в 1936 году. ^[27] Улучшенные вычисления время от времени публиковались в течение следующих десятилетий. ^{[28] [29]}

В 1955 году Х. Шварц обнаружил, что распад молекулы трития T ₂ = ³ H ₂ с большой вероятностью должен приводить к образованию иона гидрида гелия [ ³ HeT] ^{+ .}

В 1963 году Ф. Какаче из Римского университета Ла Сапиенца разработал метод распада для получения и изучения органических радикалов и карбениевых ионов. ^[30] В варианте этого метода экзотические виды, такие как метан, производятся путем реакции органических соединений с [ ³ HeT] ⁺ , который получается при распаде T ₂ , смешанного с желаемыми реагентами. Многое из того, что мы знаем о химии [HeH] ^{+ ,} пришло с помощью этого метода. ^[31]

В 1980 году В. Любимов (Любимов) в лаборатории ИТЭФ в Москве заявил, что обнаружил умеренно значимую массу покоя (30 ± 16) эВ для нейтрино , анализируя энергетический спектр β-распада трития. ^[32] Это утверждение было оспорено, и несколько других групп приступили к его проверке, изучая распад молекулярного трития T
₂. Было известно, что часть энергии, высвобождаемой при этом распаде, будет направлена ​​на возбуждение продуктов распада, включая [ ³ HeT] ⁺ ; и это явление могло быть существенным источником ошибок в этом эксперименте. Это наблюдение побудило многочисленные усилия точно вычислить ожидаемые энергетические состояния этого иона, чтобы уменьшить неопределенность этих измерений. ^{[ необходима цитата ]} С тех пор многие улучшили вычисления, и теперь существует довольно хорошее согласие между вычисленными и экспериментальными свойствами; в том числе для изотопологов [ ⁴ He ² H] ⁺ , [ ³ He ¹ H] ⁺ и [ ³ He ² H] ⁺ . ^{[18] [13]}

В 1956 году М. Кантуэлл теоретически предсказал, что спектр колебаний этого иона должен наблюдаться в инфракрасном диапазоне; а спектры дейтерия и обычных изотопологов водорода ( [ ³ HeD] ⁺ и [ ³ He ¹ H] ⁺ ) должны лежать ближе к видимому свету и, следовательно, их легче наблюдать. ^[12] Первое обнаружение спектра [ ⁴ He ¹ H] ⁺ было сделано Д. Толливером и другими в 1979 году при волновых числах между 1700 и 1900 см ⁻¹ . ^[33] В 1982 году П. Бернат и Т. Амано обнаружили девять инфракрасных линий между 2164 и 3158 волнами на см. ^[17]

С 1970-х годов предполагалось, что HeH ^{+ существует в} межзвездной среде . ^[34] О его первом обнаружении в туманности NGC 7027 сообщалось в статье, опубликованной в журнале Nature в апреле 2019 года. ^[5]

Ион гидрида гелия образуется при распаде трития в молекуле HT или молекуле трития T ₂ . Хотя молекула возбуждается отдачей от бета-распада, она остается связанной. ^[35]

Считается, что это первое соединение, образовавшееся во Вселенной, ^[3] и имеющее фундаментальное значение для понимания химии ранней Вселенной. ^[36] Это связано с тем, что водород и гелий были почти единственными типами атомов, образовавшихся в нуклеосинтезе Большого Взрыва . Звезды, образовавшиеся из первичного материала, должны содержать HeH ⁺ , который мог бы повлиять на их формирование и последующую эволюцию. В частности, его сильный дипольный момент делает его релевантным для непрозрачности звезд с нулевой металличностью . ^[3] HeH ⁺ также считается важным компонентом атмосфер богатых гелием белых карликов, где он увеличивает непрозрачность газа и заставляет звезду остывать медленнее. ^[37]

HeH ⁺ может образовываться в остывающем газе за диссоциативными ударными волнами в плотных межзвездных облаках, таких как ударные волны, вызванные звездными ветрами , сверхновыми и истекающим материалом из молодых звезд. Если скорость ударной волны больше примерно 90 километров в секунду (56 миль/с), могут образовываться количества, достаточно большие для обнаружения. Если их обнаружить, то выбросы HeH ⁺ будут полезными трассерами ударной волны. ^[38]

Было предложено несколько мест в качестве возможных мест обнаружения HeH ^{+ . Они включали холодные} гелиевые звезды , ^[3] регионы H II , ^[39] и плотные планетарные туманности , ^[39] такие как NGC 7027 , ^[36] , где в апреле 2019 года сообщалось об обнаружении HeH ^{+ . [5]}

• Дигидроген катион
• Тригидрогенный катион
• Аргоний