Википедия

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
Изображение молекулярной модели
Общие
Хим. формула HeH+
Классификация
SMILES
InChI
ChEBI 33688
ChemSpider 21106447
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

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 править

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 править

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 править

Подготовка править

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 править

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 править

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 править

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 править

От распада трития править

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 править

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 править

  1. ↑ 1 2 J.; Fernández. Photoionization of the HeH+ molecular ion (англ.) // Journal of Physics B  (англ.) (рус. : journal. — 2007. — Vol. 40, no. 12. — P. 2471—2480. — doi:10.1088/0953-4075/40/12/020. — Bibcode: 2007JPhB...40.2471F.
  2. ↑ 1 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. Архивировано 18 апреля 2019 года.
  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. — Bibcode: 1925PhRv...26...44H.
  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  (англ.) (рус. : journal. — 1999. — Vol. 193, no. 2. — P. 306—318. — doi:10.1006/jmsp.1998.7740. — Bibcode: 1999JMoSp.193..306C. — PMID 9920707.
  5. ↑ Dipole Moment Calculation to Small Diatomic Molecules: Implementation on a Two-Electron Self-Consistent-Field ab initio Program. Архивировано из оригинала 19 апреля 2019 года.
  6. ↑ 1 2 3 4 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. — Bibcode: 2005MNRAS.357..471E. — 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. — Bibcode: 1985PhRvL..55.2145M. — PMID 10032060.
  9. ↑ Wolfgang Ketterle: The Nobel Prize in Physics 2001. Дата обращения: 21 апреля 2019. Архивировано 14 декабря 2010 года.
  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. — Bibcode: 1985PhRvL..55.2941K. — PMID 10032281.
  11. ↑ Hydridohelium (CHEBI:33689). Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). European Bioinformatics Institute. Дата обращения: 21 апреля 2019. Архивировано 31 января 2022 года.
  12. ↑ 1 2 3 4 5 6 Grandinetti, Felice. Helium chemistry: a survey of the role of the ionic species (англ.) // International Journal of Mass Spectrometry  (англ.) (рус. : journal. — 2004. — October (vol. 237, no. 2—3). — P. 243—267. — doi:10.1016/j.ijms.2004.07.012. — Bibcode: 2004IJMSp.237..243G.
  13. ↑ 1 2 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  (англ.) (рус. : journal. — 1984. — Vol. 13, no. 3. — P. 695. — doi:10.1063/1.555719. — Bibcode: 1984JPCRD..13..695L.
  14. ↑ Alan; Carrington. Observation of a microwave spectrum of the long-range He⋯ complex (англ.) // Chemical Physics Letters  (англ.) (рус. : journal. — 1996. — Vol. 260, no. 3—4. — P. 395—405. — doi:10.1016/0009-2614(96)00860-3. — Bibcode: 1996CPL...260..395C.
  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. — Bibcode: 1925PhRv...26...44H.
  17. ↑ Safety in Tritium Handling Technology (неопр.). — doi:10.1007/978-94-011-1910-8_4.
  18. ↑ 1 2 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. — Bibcode: 1997MNRAS.290L..71L.
  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. — Bibcode: 2004ApJ...617L.143H. — arXiv:astro-ph/0411331.
  20. ↑ 1 2 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. — Bibcode: 1982ApJ...255..489R.
  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. — Bibcode: 1989ApJ...340..869N.

Литература править

Ссылки править

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Ион_гидрида_гелия&oldid=137192824