Ион гидрида гелия - Helium hydride ion
Имена | |
---|---|
Систематическое название ИЮПАК
Гидридогелий (1+) |
|
Другие имена
Гелоний
Гидрид гелия |
|
Идентификаторы | |
3D модель ( JSmol )
|
|
ЧЭБИ | |
ChemSpider | |
2 | |
|
|
|
|
Характеристики | |
HeH+ |
|
Молярная масса | 5,0 · 1054 г · моль -1 |
Основание конъюгата | Гелий |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). |
|
Ссылки на инфобоксы | |
Гидрид гелия ион или hydridohelium (1+) ион или helonium является катионом ( положительно заряженный ион ) с химической формулой HEH + . Он состоит из атома гелия, связанного с атомом водорода , с удаленным одним электроном . Его также можно рассматривать как протонированный гелий. Это самый легкий гетероядерный ион и считается первым соединением, образовавшимся во Вселенной после Большого взрыва .
Впервые ион был получен в лаборатории в 1925 году. Он стабилен в отдельности, но чрезвычайно реактивен и не может быть получен в массе, потому что он будет реагировать с любой другой молекулой, с которой он вступит в контакт. Известная как самая сильная из известных кислот , ее присутствие в межзвездной среде предполагалось с 1970-х годов, и наконец она была обнаружена в апреле 2019 года с помощью бортового телескопа SOFIA .
Физические свойства
Ион водорода гелия изоэлектронен молекулярному водороду ( H
2).
В отличие от иона дигидрогена H+
2ион гидрида гелия имеет постоянный дипольный момент , что облегчает его спектроскопическую характеристику. Рассчитывается дипольный момент HEH + 2,26 или 2,84 Д . Электронная плотность в ионе выше вокруг ядра гелия, чем в водороде. 80% заряда электрона ближе к ядру гелия, чем к ядру водорода.
Спектроскопическое обнаружение затруднено, потому что одна из его наиболее заметных спектральных линий при 149,14 мкм совпадает с дублетом спектральных линий, принадлежащих радикалу метилидина ⫶ CH.
Длина ковалентной связи в ионе составляет 0,772 Å .
Изотопологи
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
Он1
H] + или [3
HeH] + ( A = 4, N = 1) -
[3
Он2
H] + или [3
HeD] + ( A = 5, N = 2) -
[3
Он3
H] + или [3
HeT] + ( A = 6, N = 3; радиоактивный) -
[4
Он1
H] + или [4
HeH] + ( A = 5, N = 2) -
[4
Он2
H] + или [4
HeD] + ( A = 6, N = 3) -
[4
Он3
H] + или [4
HeT] + ( A = 7, N = 4; радиоактивный)
Все они имеют три протона и два электрона. Первые три образуются при радиоактивном распаде трития в молекулах HT =1
ЧАС3
H , DT =2
ЧАС3
H и T
2 знак равно 3
ЧАС
2, соответственно. Последние три могут быть получены путем ионизации соответствующего изотополога H
2 в присутствии гелия-4.
Следующие изотопологи иона гидрида гелия, иона дигидрогена H+
2, и иона триводорода H+
3имеют одинаковое полное атомное массовое число A :
-
[3
HeH] + , [D
2] + , [TH] + , [DH
2] + ( А = 4) -
[3
HeD] + , [4
HeH] + , [DT] + , [TH
2] + , [D
2H] + ( A = 5) -
[3
HeT] + , [4
HeD] + , [T
2] + , [TDH] + , [D
3] + ( А = 6) -
[4
HeT] + , [TD
2] + , [T
2H] + ( A = 7)
Однако массы в каждой строке выше не равны, потому что энергии связи в ядрах различны.
Нейтральная молекула
В отличие от иона гидрида гелия, нейтральная молекула гидрида гелия HeH нестабильна в основном состоянии. Тем не менее, она существует в возбужденном состоянии , как эксимерные (Но *), и его спектр впервые был обнаружен в середине 1980-х года.
Нейтральная молекула - первая запись в базе данных Gmelin .
Химические свойства и реакции
Подготовка
Поскольку HeH + не может храниться в какой-либо пригодной для использования форме, его химический состав необходимо изучать путем образования in situ .
Например, реакции с органическими веществами можно изучить, создав тритиевое производное желаемого органического соединения. Распад трития до 3 He + с последующим извлечением им атома водорода дает 3 HeH +, который затем окружается органическим материалом и, в свою очередь, вступает в реакцию.
Кислотность
HeH + не может быть получен в конденсированной фазе , так как он будет отдавать протон любому аниону , молекуле или атому, с которыми он вступает в контакт. Было показано, что он протонирует O 2 , NH 3 , SO 2 , H 2 O и CO 2 , давая O 2 H + , NH+
4, HSO+
2, H 3 O + и HCO+
2соответственно. Другие молекулы, такие как оксид азота , диоксид азота , закись азота , сероводород , метан , ацетилен , этилен , этан , метанол и ацетонитрил, вступают в реакцию, но распадаются из-за большого количества выделяемой энергии.
Фактически, HeH + - самая сильная из известных кислот с протонным сродством 177,8 кДж / моль. Гипотетический водный кислотность может быть оценена с помощью закона Гесса :
HeH + ( г ) → H + ( г ) + Он ( г ) +178 кДж / моль HeH + ( водн. ) → HeH + ( г ) +973 кДж / моль а) H + ( г ) → H + ( водн. ) −1530 кДж / моль Он ( г ) → Он ( водн. ) +19 кДж / моль (б) HeH + ( водн. ) → H + ( водн. ) + Он ( водн. ) −360 кДж / моль
(a) Оценка такая же, как для Li + ( aq ) → Li + ( g ).
(б) Оценка по данным растворимости.
Свободная энергия изменение диссоциации -360 кДж / моль эквивалентно р К а из -63 при 298 K.
Другие гелий-водородные ионы
Дополнительные атомы гелия могут присоединяться к HeH + с образованием более крупных кластеров, таких как He 2 H + , He 3 H + , He 4 H + , He 5 H + и He 6 H + .
Катион гидрида дигелия He 2 H + образуется в результате реакции катиона дигелия с молекулярным водородом:
-
Он+
2+ H 2 → He 2 H + + H
Это линейный ион с водородом в центре.
Ион гидрида гексагелия He 6 H + особенно стабилен.
Другие ионы гидрида гелия известны или изучены теоретически. Ион дигидрида гелия, или дигидридогелий (1+) , HeH+
2, наблюдалась с помощью микроволновой спектроскопии. 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.
История
Открытие в ионизационных экспериментах
Гидридогелий (1+), в частности [4
Он1
H] + , был впервые косвенно обнаружен в 1925 г. Т. Р. Хогнессом и Э. Г. Ланном. Они вводили протоны известной энергии в разреженную смесь водорода и гелия, чтобы изучить образование ионов водорода, таких как H+
, H+
2и H+
3. Они заметили, что H+
3появились при той же энергии пучка (16 эВ ), что и H+
2, и его концентрация увеличивалась с давлением намного больше, чем у двух других ионов. Из этих данных они пришли к выводу, что H+
2 ионы передавали протон молекулам, с которыми они сталкивались, включая гелий.
В 1933 г. К. Бейнбридж использовал масс-спектрометрию для сравнения масс ионов [4
Он1
H] + (ион гидрида гелия) и [2
ЧАС
21
H] + (дважды дейтерированный ион триводорода), чтобы получить точное измерение атомной массы дейтерия относительно массы гелия. Оба иона имеют 3 протона, 2 нейтрона и 2 электрона. Он также сравнил [4
Он2
H] + (ион дейтерида гелия) с [2
ЧАС
3] + ( ион тридейтерия ), оба с 3 протонами и 3 нейтронами.
Ранние теоретические исследования
Первая попытка вычислить структуру иона HeH + (в частности, [4
Он1
H] + ) по квантово-механической теории была сделана Дж. Бичем в 1936 году. В последующие десятилетия время от времени публиковались усовершенствованные вычисления.
Методы распада трития в химии
Х. Шварц заметил в 1955 г., что распад молекулы трития T
2 знак равно 3
ЧАС
2должен генерировать ион гидрида гелия [3
HeT] + с большой вероятностью.
В 1963 году Ф. Какаче из Римского университета Ла Сапиенца разработал метод распада для получения и изучения органических радикалов и ионов карбения . В одном из вариантов этого метода экзотические виды, такие как катион метония , получают путем реакции органических соединений с [3
HeT] +, который образуется при распаде T
2который смешивается с желаемыми реагентами. Многое из того, что мы знаем о химии [HeH] +, получено с помощью этой техники.
Значение для экспериментов с массой нейтрино
В 1980 году В. Любимов (Любимов) из лаборатории ИТЭФ в Москве заявил, что обнаружил умеренно значительную массу покоя (30-16) эВ для нейтрино , анализируя энергетический спектр β-распада трития. Заявление было оспорено, и несколько других групп намеревались проверить его, изучив 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 серьезным источником ошибок в этом эксперименте. Это наблюдение мотивировало многочисленные попытки точно вычислить ожидаемые энергетические состояния этого иона, чтобы уменьшить неопределенность этих измерений. С тех пор многие улучшили вычисления, и теперь наблюдается довольно хорошее согласие между расчетными и экспериментальными свойствами; в том числе для изотопологов [4
Он2
H] + , [3
Он1
H] + и [3
Он2
H] + .
Спектральные предсказания и обнаружение
В 1956 г. М. Кантуэлл теоретически предсказал, что спектр колебаний этого иона должен наблюдаться в инфракрасном диапазоне; и спектры дейтерия и обычных изотопологов водорода ( [3
HeD] + и [3
Он1
H] + ) должен находиться ближе к видимому свету и, следовательно, его легче наблюдать. Первое обнаружение спектра [4
Он1
H] + был получен Д. Толливером и другими в 1979 году при волновых числах между 1700 и 1900 см -1 . В 1982 году П. Бернат и Т. Амано обнаружили девять инфракрасных линий между 2164 и 3158 волнами на см.
Межзвездное пространство
Долгое время с 1970-х годов предполагалось, что HeH + существует в межзвездной среде . О его первом обнаружении в туманности NGC 7027 сообщалось в статье, опубликованной в журнале Nature в апреле 2019 года.
Естественное явление
От распада трития
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.
Межзвездная среда
Считается, что это первое соединение, образовавшееся во Вселенной, и оно имеет фундаментальное значение для понимания химии ранней Вселенной. Это связано с тем, что водород и гелий были почти единственными типами атомов, образовавшимися в процессе нуклеосинтеза Большого взрыва . Звезды, образованные из первичного материала, должны содержать HeH + , который может влиять на их формирование и последующую эволюцию. В частности, его сильный дипольный момент делает его подходящим для непрозрачности звезд с нулевой металличностью . HeH + также считается важной составляющей атмосферы богатых гелием белых карликов, где он увеличивает непрозрачность газа и вызывает более медленное охлаждение звезды.
HeH + может образовываться в охлаждающем газе за диссоциативными ударными волнами в плотных межзвездных облаках, такими как ударные волны, вызванные звездными ветрами , сверхновыми звездами и истекающим веществом молодых звезд. Если скорость удара больше примерно 90 километров в секунду (56 миль / с), могут образоваться достаточно большие количества, чтобы их можно было обнаружить. В случае обнаружения выбросы HeH + могут быть полезными индикаторами шока.
Было предложено несколько мест в качестве возможных мест обнаружения HeH + . К ним относятся холодные гелиевые звезды , области H II и плотные планетарные туманности , такие как NGC 7027 , где в апреле 2019 года, как сообщалось, был обнаружен HeH + .