Ион гидрида гелия

Ион гидрида гелия или ион гидридогелия (1+) представляет собой катион (положительно заряженный ион) с химической формулой HeH+. Его молекула состоит из атома гелия, связанного с атомом водорода, с одним удалённым электроном. Это самый лёгкий гетероядерный ион, сравнимый с молекулярным ионом водорода, H2+.

Ион гидрида гелия
Общие
Хим. формула HeH+
Классификация
SMILES
InChI
ChEBI 33688
ChemSpider
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.

Впервые ион был получен в лаборатории в 1925 году. Он стабилен в изоляции, но чрезвычайно реактивен и не может быть приготовлен в массе, потому что вступает в реакцию с любой другой молекулой, с которой контактирует. На самом деле это самая сильная из известных кислот. Его появление в межзвёздной среде было предположено с 1970-х годов[1], и было окончательно подтверждено в 2019 году[2].

Физические свойства

Гидридогелий (1+) является изоэлектронным с молекулярным водородом[3]. В отличие от H2+, он имеет постоянный дипольный момент, что облегчает его спектроскопическую характеристику.[4] Расчетный дипольный момент HeH+ составляет 2,26 или 2,84 D[5] Тем не менее, одна из его наиболее заметных спектральных линий, в 149,14 мкм, совпадает с дублетом спектральных линий, принадлежащих радикалу метилидина CH.[6]

Длина ковалентной связи в ионе составляет 0,772 Å.[7]

Нейтральная молекула

В отличие от иона гидрида гелия, нейтральная молекула гидрида гелия не является стабильной в основном состоянии. Тем не менее, она существует в возбужденном состоянии, как эксимер (НеН*), и его спектр впервые был обнаружен в середине 1980-х годов.[8][9][10]

Нейтральная молекула является первой записью в базе данных Gmelin.[11]

Химические свойства и реакции

Подготовка

Поскольку HeH+ не может храниться в какой-либо пригодной для использования форме, его химический состав должен быть изучен путём формирования его на месте.

Реакции с органическими веществами, например, могут быть изучены путем создания тритиевого производного желаемого органического соединения. Распад трития до 3Не+ с последующим его выделением атома водорода дает 3НеН+, который затем окружается органическим материалом и, в свою очередь, вступает в реакцию.[12]

Кислотность

HeH+ не может быть получен в конденсированной фазе, так как он передаст протон любому аниону, молекуле или атому, с которым он вступит в контакт. Было показано, что он протонирует O2, NH3, SO2, H2O и CO2, давая O2H+, NH4+, HSO2+, H3O+ и HCO2+[12]. 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 произведенной энергии.[12]

На самом деле, HeH+ является самой сильной из известных кислот с сродством к протону 177,8 кДж / моль.[13] Гипотетическая кислотность воды может быть оценена с использованием закона Гесса:

HeH+(g) H+(g) + He(g) +178 kJ/mol [13]
HeH+(aq) HeH+(g) +973 kJ/mol
H+(g) H+(aq) −1530 kJ/mol
He(g) He(aq) +19 kJ/mol
HeH+(aq) H+(aq) + He(aq) −360 kJ/mol

Изменение свободной энергии диссоциации −360 кДж/моль эквивалентно a pKa −63.

Другие ионы гелия-водорода

Дополнительные атомы гелия могут присоединяться к HeH + с образованием более крупных кластеров, таких как He2H+, He3H+, He4H+, He5H+ и He6H+.[12]

Катион гидрида дигелия, He2H+, образуется в результате реакции катиона дигелия с молекулярным водородом:

He2+ + H2 → He2H+ + H

Это линейный ион с водородом в центре.[12]

Ион гексагелий гидрида, He6H+, является особенно стабильным.[12]

Другие ионы гидрида гелия известны или были изучены теоретически. Ион дигидрида гелия или дигидридогелий (1+) НеH2+, наблюдался с помощью микроволновой спектроскопии[14]. Он имеет расчетную энергию связи 25,1 кДж / моль, в то время как тригидридогелий (1+), НеH3+, имеет расчётную энергию связи 0,42 кДж/моль[15].

История

Гидридогелий (1+) был впервые обнаружен косвенно в 1925 году Т. Р. Хогнессом и Э. Г. Ланном. Они впрыскивали протоны с известной энергией в разреженную смесь водорода и гелия, чтобы изучить образование ионов водорода, таких как H+, H2+ и H3+. Они заметили, что H3+ появился при той же энергии пучка (16 эВ), что и H2+, и его концентрация увеличивается с давлением гораздо больше, чем у двух других ионов. Из этих данных они пришли к выводу, что ионы H2+ передавали протон молекулам, с которыми они сталкивались, включая гелий[16].

Уже давно предполагается, что HeH+ существует в межзвездной среде.[1] О его первом обнаружении в туманности NGC 7027 было сообщено в статье, опубликованной в журнале Nature в апреле 2019 года.[2]

Нахождение в природе

От распада трития

Ион гидрида гелия образуется при распаде трития в молекуле HT или в молекуле трития T2. Хотя она возбуждается отдачей от бета-распада, молекула остается связанной вместе.[17]

Межзвездная среда

Считается, что это первое соединение, которое сформировалось во вселенной,[6] и имеет фундаментальное значение для понимания химии ранней вселенной.[18] Это связано с тем, что водород и гелий были почти единственными типами атомов, образовавшихся в результате нуклеосинтеза Большого взрыва. Звёзды, образованные из первичного материала, должны содержать HeH+, что может повлиять на их формирование и последующую эволюцию. В частности, его сильный дипольный момент делает его важным для непрозрачности звезд с нулевой металличностью.[6] Также считается, что HeH+ является важной составляющей атмосферы богатых гелием белых карликов, где он увеличивает непрозрачность газа и заставляет звезду медленнее охлаждаться.[19]

В качестве возможных мест, где может быть обнаружен HeH+, было предложено несколько мест. К ним относятся холодные гелиевые звёзды,[6] H II,[20] и плотные планетарные туманности[20] такие как NGC 7027.[18]

HeH+ может образовываться в охлаждающем газе за диссоциативными ударами в плотных межзвёздных облаках, такими как удары, вызванные звёздными ветрами, сверхновыми и истекающим материалом из молодых звёзд. Если скорость удара превышает 90 км/c, могут быть сформированы количества, достаточно большие для обнаружения. Если обнаружено, выбросы HeH+ будут полезными индикаторами шока.[21]

Примечания

  1. J.; Fernández. Photoionization of the HeH+ molecular ion (англ.) // Journal of Physics B : journal. — 2007. Vol. 40, no. 12. P. 2471—2480. doi:10.1088/0953-4075/40/12/020. — .
  2. Jürgen; Stutzki. Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+ (англ.) // Nature : journal. — 2019. — April (vol. 568, no. 7752). P. 357. ISSN 1476-4687. doi:10.1038/s41586-019-1090-x.
  3. Hogness, T. R. The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis (англ.) // Physical Review : journal. — 1925. Vol. 26, no. 1. P. 44—55. doi:10.1103/PhysRev.26.44. — .
  4. J.; Coxon. Experimental Born–Oppenheimer Potential for the X1Σ+ Ground State of HeH+: Comparison with the Ab Initio Potential (англ.) // Journal of Molecular Spectroscopy : journal. — 1999. Vol. 193, no. 2. P. 306—318. doi:10.1006/jmsp.1998.7740. — . PMID 9920707.
  5. Dipole Moment Calculation to Small Diatomic Molecules: Implementation on a Two-Electron Self-Consistent-Field ab initio Program (недоступная ссылка). Архивировано 19 апреля 2019 года.
  6. Elodie A.; Engel. Calculated spectra for HeH+ and its effect on the opacity of cool metal-poor stars (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : journal. Oxford University Press, 2005. Vol. 357, no. 2. P. 471—477. doi:10.1111/j.1365-2966.2005.08611.x. — . arXiv:astro-ph/0411267.
  7. John P.; Coyne. Alpha particle chemistry. On the formation of stable complexes between He2+ and other simple species: implications for atmospheric and interstellar chemistry (англ.) // Journal of Molecular Modeling : journal. — 2009. Vol. 15, no. 1. P. 35—40. doi:10.1007/s00894-008-0371-3. PMID 18936986.
  8. Thomas; Möller. Observation of Fluorescence of the HeH Molecule (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1985. Vol. 55, no. 20. P. 2145—2148. doi:10.1103/PhysRevLett.55.2145. — . PMID 10032060.
  9. Wolfgang Ketterle: The Nobel Prize in Physics 2001.
  10. W.; Ketterle. Emission spectra of bound helium hydride (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 1985. Vol. 55, no. 27. P. 2941—2944. doi:10.1103/PhysRevLett.55.2941. — . PMID 10032281.
  11. Hydridohelium (CHEBI:33689). Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). European Bioinformatics Institute.
  12. Grandinetti, Felice. Helium chemistry: a survey of the role of the ionic species (англ.) // International Journal of Mass Spectrometry : journal. — 2004. — October (vol. 237, no. 2—3). P. 243—267. doi:10.1016/j.ijms.2004.07.012. — .
  13. Lias, S. G. Evaluated Gas Phase Basicities and Proton Affinities of Molecules; Heats of Formation of Protonated Molecules (англ.) // Journal of Physical and Chemical Reference Data : journal. — 1984. Vol. 13, no. 3. P. 695. doi:10.1063/1.555719. — .
  14. Alan; Carrington. Observation of a microwave spectrum of the long-range He⋯ complex (англ.) // Chemical Physics Letters : journal. — 1996. Vol. 260, no. 3—4. P. 395—405. doi:10.1016/0009-2614(96)00860-3. — .
  15. Astrochemistry: Recent Successes and Current Challenges (англ.).
  16. T. R.; Hogness. The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis (англ.) // Physical Review : journal. — 1925. Vol. 26, no. 1. P. 44—55. doi:10.1103/PhysRev.26.44. — .
  17. Safety in Tritium Handling Technology (неопр.). doi:10.1007/978-94-011-1910-8_4.
  18. Liu, X.-W. An ISO Long Wavelength Spectrometer detection of CH in NGC 7027 and an HeH+ upper limit (англ.) // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society : journal. Oxford University Press, 1997. Vol. 290, no. 4. P. L71—L75. doi:10.1093/mnras/290.4.l71. — .
  19. Harris, G. J. The Role of HeH+ in Cool Helium-rich White Dwarfs (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. IOP Publishing, 2004. Vol. 617, no. 2. P. L143—L146. doi:10.1086/427391. — . arXiv:astro-ph/0411331.
  20. W.; Roberge. The formation and destruction of HeH+ in astrophysical plasmas (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. IOP Publishing, 1982. Vol. 255. P. 489—496. doi:10.1086/159849. — .
  21. David A.; Neufeld. Fast molecular shocks. I – Reformation of molecules behind a dissociative shock (англ.) // The Astrophysical Journal : journal. IOP Publishing, 1989. Vol. 340. P. 869—893. doi:10.1086/167441. — .

Литература

Ссылки

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.