stringtranslate.com

Ион гидрида гелия

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]

Физические свойства

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 .

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:

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 :

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

Нейтральная молекула

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]

Химические свойства и реакции

Подготовка

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 реагирует. [22] [23]

TR → 3 He + + R • ( бета-распад )
3 He + + HR → 3 HeH + + R • ( отщепление водорода )

Кислотность

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]

Другие гелий-водородные ионы

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]

История

Открытие в экспериментах по ионизации

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]

Ранние теоретические исследования

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]

Методы распада трития в химии

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]

Последствия для экспериментов по массе нейтрино

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]

Спектральные предсказания и обнаружение

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]

Межзвездное пространство

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]

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. [35]

Межзвездная среда

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]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "hydridohelium(1+) (CHEBI:33688)". Химические сущности биологического интереса (ChEBI) . Европейский институт биоинформатики.
  2. ^ "Гидрид гелия". Американское химическое общество .
  3. ^ abcde Engel, Elodie A.; Doss, Natasha; Harris, Gregory J.; Tennyson, Jonathan (2005). «Расчетные спектры для HeH+ и их влияние на непрозрачность холодных звезд с низким содержанием металлов». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 357 (2): 471–477. arXiv : astro-ph/0411267 . Bibcode : 2005MNRAS.357..471E. doi : 10.1111/j.1365-2966.2005.08611.x . S2CID  17507960.
  4. ^ ab "Hydridohelium (CHEBI:33689)". Химические сущности биологического интереса (ChEBI) . Европейский институт биоинформатики.
  5. ^ abc Гюстен, Рольф; Виземейер, Хельмут; Нойфельд, Дэвид; Ментен, Карл М.; Граф, Урс У.; Джейкобс, Карл; Кляйн, Бернд; Рикен, Оливер; Рисакер, Кристоф; Штуцки, Юрген (апрель 2019 г.). «Астрофизическое обнаружение гидрид-иона гелия HeH + ». Природа . 568 (7752): 357–359. arXiv : 1904.09581 . Бибкод : 2019Natur.568..357G. дои : 10.1038/s41586-019-1090-x. PMID  30996316. S2CID  119548024.
  6. ^ Эндрюс, Билл (22 декабря 2019 г.). «Ученые находят первую молекулу во Вселенной». Discover . Получено 22 декабря 2019 г. .
  7. ^ abcd Hogness, TR; Lunn, EG (1925). «Ионизация водорода электронным ударом, интерпретированная с помощью анализа положительных лучей». Physical Review . 26 (1): 44–55. Bibcode : 1925PhRv...26...44H. doi : 10.1103/PhysRev.26.44.
  8. ^ Coxon, J.; Hajigeorgiou, PG (1999). "Экспериментальный потенциал Борна–Оппенгеймера для основного состояния X 1 Σ + HeH + : сравнение с потенциалом Ab Initio ". Журнал молекулярной спектроскопии . 193 (2): 306–318. Bibcode :1999JMoSp.193..306C. doi :10.1006/jmsp.1998.7740. PMID  9920707.
  9. ^ Диас, AM (1999). «Расчет дипольного момента для малых двухатомных молекул: реализация в программе двухэлектронного самосогласованного поля ab initio» (PDF) . Rev da Univ de Alfenas . 5 (1): 77–79. Архивировано из оригинала (PDF) 2019-04-19 . Получено 2019-02-23 .
  10. ^ Dey, Bijoy Kr.; Deb, BM (апрель 1999). «Прямой ab initio расчет основных электронных энергий и плотностей для атомов и молекул с помощью зависящего от времени одного гидродинамического уравнения». Журнал химической физики . 110 (13): 6229–6239. Bibcode : 1999JChPh.110.6229D. doi : 10.1063/1.478527.
  11. ^ Койн, Джон П.; Болл, Дэвид У. (2009). «Химия альфа-частиц. Об образовании стабильных комплексов между He 2+ и другими простыми видами: последствия для атмосферной и межзвездной химии». Журнал молекулярного моделирования . 15 (1): 35–40. doi :10.1007/s00894-008-0371-3. PMID  18936986. S2CID  7163073.
  12. ^ abcd Кантвелл, Мюррей (1956). «Молекулярное возбуждение при бета-распаде». Physical Review . 101 (6): 1747–1756. Bibcode : 1956PhRv..101.1747C. doi : 10.1103/PhysRev.101.1747..
  13. ^ abcde Tung, Wei-Cheng; Pavanello, Michele; Adamowicz, Ludwik (2012-10-28). "Точные кривые потенциальной энергии для изотопологов HeH + ". Журнал химической физики . 137 (16). AIP Publishing: 164305. Bibcode : 2012JChPh.137p4305T. doi : 10.1063/1.4759077. ISSN  0021-9606. PMID  23126708.
  14. ^ Шварц, Х. М. (1955). «Возбуждение молекул при бета-распаде составного атома». Журнал химической физики . 23 (2): 400–401. Bibcode : 1955JChPh..23R.400S. doi : 10.1063/1.1741982.
  15. ^ Снелл, Артур Х.; Плезонтон, Фрэнсис; Леминг, Х. Э. (1957). «Молекулярная диссоциация после радиоактивного распада: гидрид трития». Журнал неорганической и ядерной химии . 5 (2): 112–117. doi :10.1016/0022-1902(57)80051-7.
  16. ^ abcd Бейнбридж, Кеннет Т. (1933). "Сравнение масс H 2 и гелия". Physical Review . 44 (1): 57. Bibcode :1933PhRv...44...57B. doi :10.1103/PhysRev.44.57.
  17. ^ ab Бернат, П.; Амано, Т. (1982). "Обнаружение инфракрасной фундаментальной полосы HeH + ". Physical Review Letters . 48 (1): 20–22. Bibcode : 1982PhRvL..48...20B. doi : 10.1103/PhysRevLett.48.20.
  18. ^ ab Pachucki, Krzysztof; Komasa, Jacek (2012). "Вибрационные уровни иона гидрида гелия". Журнал химической физики . 137 (20): 204314. Bibcode : 2012JChPh.137t4314P. doi : 10.1063/1.4768169. PMID  23206010.
  19. ^ Мёллер, Томас; Беланд, Михаэль; Циммерер, Георг (1985). «Наблюдение флуоресценции молекулы HeH». Physical Review Letters . 55 (20): 2145–2148. Bibcode :1985PhRvL..55.2145M. doi :10.1103/PhysRevLett.55.2145. PMID  10032060.
  20. ^ «Вольфганг Кеттерле: Нобелевская премия по физике 2001 года». nobelprize.org.
  21. ^ Ketterle, W.; Figger, H.; Walther, H. (1985). «Спектры излучения связанного гидрида гелия». Physical Review Letters . 55 (27): 2941–2944. Bibcode :1985PhRvL..55.2941K. doi :10.1103/PhysRevLett.55.2941. PMID  10032281.
  22. ^ abcdef Грандинетти, Феличе (октябрь 2004 г.). «Химия гелия: обзор роли ионных видов». Международный журнал масс-спектрометрии . 237 (2–3): 243–267. Bibcode : 2004IJMSp.237..243G. doi : 10.1016/j.ijms.2004.07.012.
  23. ^ Cacace, Fulvio (1970). Газообразные ионы карбония из распада тритиированных молекул . Достижения в физической органической химии. Т. 8. С. 79–149. doi :10.1016/S0065-3160(08)60321-4. ISBN 9780120335084.
  24. ^ Лиас, С.Г.; Либман, Дж.Ф.; Левин, РД (1984). «Оцененные основности газовой фазы и сродство молекул к протону; теплоты образования протонированных молекул». Журнал физических и химических справочных данных . 13 (3): 695. Bibcode : 1984JPCRD..13..695L. doi : 10.1063/1.555719.
  25. ^ Кэррингтон, Алан; Гэмми, Дэвид И.; Шоу, Эндрю М.; Тейлор, Сьюзи М.; Хатсон, Джереми М. (1996). «Наблюдение микроволнового спектра дальнего действия He⋯ H+
    2    комплекс". Письма в журнал химической физики . 260 (3–4): 395–405. Bibcode : 1996CPL...260..395C. doi : 10.1016/0009-2614(96)00860-3.
  26. ^ Pauzat, F.; Ellinger, Y. (2005). "Где в космосе скрываются благородные газы?". В Markwick-Kemper, AJ (ред.). Astrochemistry: Recent Successes and Current Challenges (PDF) . Poster Book IAU Symposium No. 231. Vol. 231. Bibcode :2005IAUS..231.....L. Архивировано из оригинала (PDF) 2007-02-02.
  27. ^ Beach, JY (1936). "Квантово-механическая обработка молекулы гидрида гелия-иона HeH + ". Журнал химической физики . 4 (6): 353–357. Bibcode : 1936JChPh...4..353B. doi : 10.1063/1.1749857.
  28. ^ Toh, Sôroku (1940). «Квантово-механическое рассмотрение молекулы иона гидрида гелия HeH + ». Труды физико-математического общества Японии . 3-я серия. 22 (2): 119–126. doi :10.11429/ppmsj1919.22.2_119.
  29. ^ Эветт, Артур А. (1956). «Основное состояние иона гидрида гелия». Журнал химической физики . 24 (1): 150–152. Bibcode : 1956JChPh..24..150E. doi : 10.1063/1.1700818.
  30. ^ Cacace, Fulvio (1990). «Методы ядерного распада в ионной химии». Science . 250 (4979): 392–399. Bibcode :1990Sci...250..392C. doi :10.1126/science.250.4979.392. PMID  17793014. S2CID  22603080.
  31. ^ Speranza, Maurizio (1993). «Тритий для генерации карбокатионов». Chemical Reviews . 93 (8): 2933–2980. doi :10.1021/cr00024a010.
  32. ^ Любимов, ВА; Новиков, ЕГ; Нозик, ВЗ; Третьяков, ЕФ; Косик, ВС (1980). «Оценка массы ν e по β-спектру трития в молекуле валина». Physics Letters B . 94 (2): 266–268. Bibcode :1980PhLB...94..266L. doi :10.1016/0370-2693(80)90873-4..
  33. ^ Толливер, Дэвид Э.; Кайрала, Джордж А.; Винг, Уильям Х. (1979-12-03). "Наблюдение инфракрасного спектра молекулярного иона гидрида гелия [ 4 HeH] + ". Physical Review Letters . 43 (23). Американское физическое общество (APS): 1719–1722. Bibcode : 1979PhRvL..43.1719T. doi : 10.1103/physrevlett.43.1719. ISSN  0031-9007.
  34. ^ Фернандес, Х.; Мартин, Ф. (2007). «Фотоионизация молекулярного иона HeH + ». Journal of Physics B. 40 ( 12): 2471–2480. Bibcode :2007JPhB...40.2471F. doi :10.1088/0953-4075/40/12/020. S2CID  120284828.
  35. ^ Mannone, F., ред. (1993). "Взаимодействие материалов с тритием". Безопасность в технологии обращения с тритием . Eurocourses: Ядерная наука и технологии. Том 1. Springer. стр. 92. doi :10.1007/978-94-011-1910-8_4. ISBN 978-94-011-1910-8.
  36. ^ ab Liu, X.-W.; Barlow, MJ; Dalgarno, A.; Tennyson, J.; Lim, T.; Swinyard, BM; Cernicharo, J.; Cox, P.; Baluteau, J.-P.; Pequignot, D.; Nguyen, QR; Emery, RJ; Clegg, PE (1997). "Обнаружение CH в NGC 7027 с помощью длинноволнового спектрометра ISO и верхний предел HeH+". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 290 (4): L71–L75. Bibcode : 1997MNRAS.290L..71L. doi : 10.1093/mnras/290.4.l71 .
  37. ^ Харрис, ГДж; Линас-Грей, АЕ; Миллер, С.; Теннисон, Дж. (2004). «Роль HeH + в холодных богатых гелием белых карликах». The Astrophysical Journal . 617 (2): L143–L146. arXiv : astro-ph/0411331 . Bibcode : 2004ApJ...617L.143H. doi : 10.1086/427391. S2CID  18993175.
  38. ^ Нойфельд, Дэвид А.; Далгарно, А. (1989). «Быстрые молекулярные шоки. I – Реформация молекул за диссоциативным шоком». The Astrophysical Journal . 340 : 869–893. Bibcode : 1989ApJ...340..869N. doi : 10.1086/167441.
  39. ^ ab Roberge, W.; Delgarno, A. (1982). «Образование и разрушение HeH + в астрофизической плазме». The Astrophysical Journal . 255 : 489–496. Bibcode : 1982ApJ...255..489R. doi : 10.1086/159849.