stringtranslate.com

Ион гидрида гелия

Ион гидрида гелия , ион гидридогелия(1+) или гелоний представляет собой катион ( 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, что это первое соединение, образовавшееся во Вселенной после Большого взрыва . [2]

Ион был впервые получен в лаборатории в 1925 году. Он стабилен изолированно, но чрезвычайно реакционноспособен, и его нельзя получить в больших количествах, поскольку он вступит в реакцию с любой другой молекулой, с которой вступит в контакт. Известная как самая сильная известная кислота — более сильная, чем даже фторсурьмяная кислота — ее существование в межзвездной среде предполагалось с 1970-х годов [3] , и наконец она была обнаружена в апреле 2019 года с помощью бортового телескопа SOFIA . [4] [5]

Физические свойства

Ион водорода гелия изоэлектронен молекулярному водороду ( H
2
). [6]

В отличие от иона диводорода H+
2
Ион гидрида гелия имеет постоянный дипольный момент , что облегчает его спектроскопическую характеристику. [7] Рассчитанный дипольный момент HeH + составляет 2,26 или  2,84 Д. [8] Электронная плотность в ионе вокруг ядра гелия выше, чем в водороде. 80% заряда электрона находится ближе к ядру гелия, чем к ядру водорода. [9]

Спектроскопическое обнаружение затруднено, поскольку одна из его наиболее ярких спектральных линий при 149,14  мкм совпадает с дублетом спектральных линий, принадлежащих радикалу метилидина CH. [2]

Длина ковалентной связи в ионе составляет 0,772  Å [10] 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 количеством нейтронов ( N ) в двух ядрах:

Все они имеют три протона и два электрона. Первые три образуются в результате радиоактивного распада трития в молекулах HT = 1 H 3 H , DT = 2 H 3 H и T 2 = 3 H 2 соответственно. Последние три можно получить путем ионизации соответствующего изотополога H 2 в присутствии гелия-4. [6]

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

Однако массы в каждом ряду выше не равны, поскольку энергии связи в ядрах различны. [15]

Нейтральная молекула

В отличие от иона гидрида гелия, нейтральная молекула гидрида гелия HeH не стабильна в основном состоянии. Однако он существует в возбужденном состоянии в виде эксимера (HeH*), и его спектр был впервые обнаружен в середине 1980-х годов. [18] [19] [20]

Нейтральная молекула — первая запись в базе данных Gmelin . [3]

Химические свойства и реакции

Подготовка

Поскольку HeH + не может храниться в какой-либо пригодной для использования форме, его химию необходимо изучать, образуя его in situ .

Реакции с органическими веществами, например, можно изучать, создав тритиевое производное искомого органического соединения. Распад трития до 3 He + с последующим извлечением из него атома водорода дает 3 HeH + , который затем окружается органическим материалом и, в свою очередь, вступает в реакцию. [21] [22]

Кислотность

HeH + не может быть получен в конденсированной фазе , так как он отдал бы протон любому аниону , молекуле или атому, с которым вошел в контакт. Было показано, что он протонирует O 2 , NH 3 , SO 2 , H 2 O и CO 2 , давая HO .+
2
, Нью-Хэмпшир+
4
, HSO+2, H 3 O + и HCO+2 соответственно. [21] 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. [21]

Фактически, HeH + является самой сильной из известных кислот со сродством к протону 177,8 кДж/моль. [23]

Другие ионы гелия-водорода

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 + . [21]

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. [21]

Ион гидрида гексагелия He 6 H + особенно стабилен. [21]

Другие ионы гидрида гелия известны или изучены теоретически. Ион дигидрида гелия, или дигидридогелий(1+) , HeH+
2
, наблюдалось с помощью микроволновой спектроскопии. [24] Его расчетная энергия связи составляет 25,1 кДж/моль, в то время как тригидридогелий(1+) , HeH+
3
, имеет расчетную энергию связи 0,42 кДж/моль. [25]

История

Открытие в экспериментах по ионизации

Гидридогелий(1+), а именно [ 4 He 1 H] + , был впервые обнаружен косвенным путем в 1925 году 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.+
, Ч+
2
и Х+
3
. Они заметили, что Х+
3
появился при той же энергии пучка (16 эВ ), что и H+
2
, и его концентрация увеличивалась с давлением гораздо больше, чем у двух других ионов. На основании этих данных они пришли к выводу, что H+
2
ионы передавали протон молекулам, с которыми они сталкивались, включая гелий. [6]

В 1933 г. К. Бейнбридж с помощью масс-спектрометрии сравнил массы ионов [ 4 He 1 H] + (гидрид-ион гелия) и [ 2 H 2 1 H] + (дважды дейтерированный ион триводорода) с целью получения точного измерение атомной массы дейтерия по отношению к массе гелия. Оба иона имеют 3 протона, 2 нейтрона и 2 электрона. Он также сравнил [ 4 He 2 H] + (ион дейтерида гелия) с [ 2 H 3 ] + ( ион тридейтерия ), оба с 3 протонами и 3 нейтронами. [15]

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. [26] Усовершенствованные расчеты спорадически публиковались в течение следующих десятилетий. [27] [28]

Методы распада трития в химии

Х. Шварц заметил в 1955 г., что распад молекулы трития T 2 = 3 H 2 должен с большой вероятностью привести к образованию иона гидрида гелия [ 3 HeT] + .

В 1963 году Ф. Какаче из Римского университета Сапиенца разработал метод распада для получения и изучения органических радикалов и ионов карбения . [29] В варианте этого метода экзотические виды, такие как метан, производятся путем реакции органических соединений с [ 3 HeT] + , который образуется в результате распада T 2 , который смешивается с желаемыми реагентами. Большая часть того, что мы знаем о химии [HeH] +, получена благодаря этой методике. [30]

Последствия для экспериментов с массой нейтрино

В 1980 году В. Любимов (Любимов) из лаборатории ИТЭФ в Москве заявил, что обнаружил у нейтрино умеренно значительную массу покоя (30 ± 16) эВ путем анализа энергетического спектра β-распада трития. [31] Это утверждение было оспорено, и несколько других групп решили проверить его, изучая распад молекулярного трития T.
2
. Было известно, что часть энергии, выделяющейся при этом распаде, будет направлена ​​на возбуждение продуктов распада, в том числе [ 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. [ нужна цитация ] 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] + . [17] [12]

Спектральные предсказания и обнаружение

В 1956 г. М. Кантвелл 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. [11] 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 . [32] В 1982 году П. Бернат и Т. Амано обнаружили девять инфракрасных линий с частотой от 2164 до 3158 волн на см. [16]

Межзвездное пространство

Еще с 1970-х годов предполагалось, что HeH + существует в межзвездной среде . [33] О его первом обнаружении в туманности NGC 7027 сообщалось в статье, опубликованной в журнале Nature в апреле 2019 года. [4]

Естественное явление

От распада трития

Ион гидрида гелия образуется при распаде трития в молекуле НТ или молекуле трития Т 2 . Хотя молекула и возбуждается отдачей от бета-распада, она остается связанной. [34]

Межзвездная среда

Считается, что это первое соединение, образовавшееся во Вселенной [2] , и оно имеет фундаментальное значение для понимания химии ранней Вселенной. [35] Это потому, что водород и гелий были почти единственными типами атомов, образовавшихся в ходе нуклеосинтеза 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 пригодным для определения непрозрачности звезд с нулевой металличностью . [2] HeH + также считается важным компонентом атмосфер богатых гелием белых карликов, где он увеличивает непрозрачность газа и заставляет звезду остывать медленнее. [36]

HeH + мог образоваться в остывающем газе в результате диссоциативных толчков в плотных межзвездных облаках, таких как толчки, вызванные звездными ветрами , сверхновыми и истечением материала из молодых звезд. Если скорость удара превышает примерно 90 километров в секунду (56 миль/с), могут образоваться достаточно большие количества, чтобы их можно было обнаружить. В случае обнаружения выбросы HeH + станут полезными индикаторами шока. [37]

Было предложено несколько мест в качестве возможных мест обнаружения HeH + . К ним относятся холодные гелиевые звезды , [2] области H II , [38] и плотные планетарные туманности , [38] такие как NGC 7027 , [35] , где в апреле 2019 года сообщалось об обнаружении HeH + . [4]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «гидридогелий (1+) (CHEBI: 33688)» . Химические соединения биологического интереса (ХЭБИ) . Европейский институт биоинформатики.
  2. ^ abcde Engel, Элоди А.; Досс, Наташа; Харрис, Грегори Дж.; Теннисон, Джонатан (2005). «Расчетные спектры HeH + и его влияние на непрозрачность холодных бедных металлами звезд». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 357 (2): 471–477. arXiv : astro-ph/0411267 . Бибкод : 2005MNRAS.357..471E. дои : 10.1111/j.1365-2966.2005.08611.x. S2CID  17507960.
  3. ^ ab "Гидридогелий (CHEBI:33689)" . Химические соединения биологического интереса (ХЭБИ) . Европейский институт биоинформатики.
  4. ^ 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.
  5. Эндрюс, Билл (22 декабря 2019 г.). «Ученые нашли первую молекулу Вселенной». Обнаружить . Проверено 22 декабря 2019 г.
  6. ^ abcd Хогнесс, TR; Ланн, Э.Г. (1925). «Ионизация водорода электронным ударом, интерпретируемая методом положительного лучевого анализа». Физический обзор . 26 (1): 44–55. Бибкод : 1925PhRv...26...44H. дои : 10.1103/PhysRev.26.44.
  7. ^ Коксон, Дж.; Хаджигеоргиу, 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. Бибкод : 1999JMoSp.193..306C. дои : 10.1006/jmsp.1998.7740. ПМИД  9920707.
  8. ^ Диас, AM (1999). «Расчет дипольного момента для малых двухатомных молекул: реализация программы ab initio двухэлектронного самосогласованного поля» (PDF) . Преподобный да Унив де Алфенас . 5 (1): 77–79. Архивировано из оригинала (PDF) 19 апреля 2019 г. Проверено 23 февраля 2019 г.
  9. ^ Дей, Биджой Кр.; Деб, Б.М. (апрель 1999 г.). «Прямой ab initio расчет электронной энергии и плотности основного состояния атомов и молекул с помощью единственного гидродинамического уравнения, зависящего от времени». Журнал химической физики . 110 (13): 6229–6239. Бибкод : 1999JChPh.110.6229D. дои : 10.1063/1.478527.
  10. ^ Койн, Джон П.; Болл, Дэвид В. (2009). «Химия альфа-частиц. Об образовании стабильных комплексов между He 2+ и другими простыми частицами: значение для атмосферной и межзвездной химии». Журнал молекулярного моделирования . 15 (1): 35–40. дои : 10.1007/s00894-008-0371-3. PMID  18936986. S2CID  7163073.
  11. ^ abcd Кантвелл, Мюррей (1956). «Молекулярное возбуждение при бета-распаде». Физический обзор . 101 (6): 1747–1756. Бибкод : 1956PhRv..101.1747C. дои : 10.1103/PhysRev.101.1747..
  12. ^ abcde Tung, Вэй-Ченг; Паванелло, Микеле; Адамович, Людвик (28 октября 2012 г.). «Точные кривые потенциальной энергии для изотопологов HeH + ». Журнал химической физики . 137 (16). Издательство АИП: 164305. Бибкод : 2012JChPh.137p4305T. дои : 10.1063/1.4759077. ISSN  0021-9606. ПМИД  23126708.
  13. ^ Шварц, HM (1955). «Возбуждение молекул при бета-распаде составляющего атома». Журнал химической физики . 23 (2): 400–401. Бибкод : 1955JChPh..23R.400S. дои : 10.1063/1.1741982.
  14. ^ Снелл, Артур Х.; Плезонтон, Фрэнсис; Леминг, HE (1957). «Молекулярная диссоциация после радиоактивного распада: гидрид трития». Журнал неорганической и ядерной химии . 5 (2): 112–117. дои : 10.1016/0022-1902(57)80051-7.
  15. ^ abcd Бейнбридж, Кеннет Т. (1933). «Сравнение масс H 2 и гелия». Физический обзор . 44 (1): 57. Бибкод : 1933PhRv...44...57B. дои : 10.1103/PhysRev.44.57.
  16. ^ аб Бернат, П.; Амано, Т. (1982). «Обнаружение основного инфракрасного диапазона HeH + ». Письма о физических отзывах . 48 (1): 20–22. Бибкод : 1982PhRvL..48...20B. doi :10.1103/PhysRevLett.48.20.
  17. ^ аб Пачуцкий, Кшиштоф; Комаса, Яцек (2012). «Ровибрационные уровни гидрид-иона гелия». Журнал химической физики . 137 (20): 204314. Бибкод : 2012JChPh.137t4314P. дои : 10.1063/1.4768169. ПМИД  23206010.
  18. ^ Мёллер, Томас; Беланд, Майкл; Циммерер, Георг (1985). «Наблюдение флуоресценции молекулы HeH». Письма о физических отзывах . 55 (20): 2145–2148. Бибкод : 1985PhRvL..55.2145M. doi :10.1103/PhysRevLett.55.2145. ПМИД  10032060.
  19. ^ «Вольфганг Кеттерле: Нобелевская премия по физике 2001». nobelprize.org.
  20. ^ Кеттерле, В.; Фиггер, Х.; Вальтер, Х. (1985). «Эмиссионные спектры связанного гидрида гелия». Письма о физических отзывах . 55 (27): 2941–2944. Бибкод : 1985PhRvL..55.2941K. doi :10.1103/PhysRevLett.55.2941. ПМИД  10032281.
  21. ^ abcdef Грандинетти, Феличе (октябрь 2004 г.). «Химия гелия: обзор роли ионных частиц». Международный журнал масс-спектрометрии . 237 (2–3): 243–267. Бибкод : 2004IJMSp.237..243G. doi : 10.1016/j.ijms.2004.07.012.
  22. ^ Какаче, Фульвио (1970). Газообразные ионы карбония при распаде молекул трития . Достижения физико-органической химии. Том. 8. стр. 79–149. дои : 10.1016/S0065-3160(08)60321-4. ISBN 9780120335084.
  23. ^ Лиас, СГ; Либман, Дж. Ф.; Левин, Р.Д. (1984). «Оценка основности газовой фазы и сродства молекул к протону; теплоты образования протонированных молекул». Журнал физических и химических справочных данных . 13 (3): 695. Бибкод : 1984JPCRD..13..695L. дои : 10.1063/1.555719.
  24. ^ Кэррингтон, Алан; Гамми, Дэвид И.; Шоу, Эндрю М.; Тейлор, Сьюзи М.; Хатсон, Джереми М. (1996). «Наблюдение микроволнового спектра дальнодействующего He⋯ H+
    2
    комплекс». Письма по химической физике . 260 (3–4): 395–405. Бибкод : 1996CPL...260..395C. doi : 10.1016/0009-2614(96)00860-3.
  25. ^ Паузат, Ф.; Эллингер, Ю. (2005). «Где в космосе прячутся благородные газы?». В Марквик-Кемпер, Эй.Дж. (ред.). Астрохимия: недавние успехи и текущие проблемы (PDF) . Стендовый сборник Симпозиума МАС № 231. Том. 231. Бибкод : 2005IAUS..231.....L. Архивировано из оригинала (PDF) 2 февраля 2007 г.
  26. ^ Бич, JY (1936). «Квантово-механическая обработка молекулы гидрида гелия-ионом HeH + ». Журнал химической физики . 4 (6): 353–357. Бибкод : 1936ЖЧФ...4..353Б. дои : 10.1063/1.1749857.
  27. ^ То, Сороку (1940). «Квантово-механическая обработка гелий-гидридной молекулы ионом HeH + ». Труды Физико-математического общества Японии . 3-я серия. 22 (2): 119–126. дои : 10.11429/ppmsj1919.22.2_119.
  28. ^ Эветт, Артур А. (1956). «Основное состояние иона гидрида гелия». Журнал химической физики . 24 (1): 150–152. Бибкод : 1956JChPh..24..150E. дои : 10.1063/1.1700818.
  29. ^ Какаче, Фульвио (1990). «Методы ядерного распада в ионной химии». Наука . 250 (4979): 392–399. Бибкод : 1990Sci...250..392C. дои : 10.1126/science.250.4979.392. PMID  17793014. S2CID  22603080.
  30. ^ Сперанца, Маурицио (1993). «Тритий для образования карбокатионов». Химические обзоры . 93 (8): 2933–2980. дои : 10.1021/cr00024a010.
  31. ^ Любимов, В.А.; Новиков Е.Г.; Нозик, В.З.; Третьяков Е.Ф.; Косик, В.С. (1980). «Оценка массы ν e по β-спектру трития в молекуле валина». Буквы по физике Б. 94 (2): 266–268. Бибкод : 1980PhLB...94..266L. дои : 10.1016/0370-2693(80)90873-4..
  32. ^ Толливер, Дэвид Э.; Кирала, Джордж А.; Винг, Уильям Х. (3 декабря 1979 г.). «Наблюдение инфракрасного спектра молекулярного иона гидрида гелия [ 4 HeH] + ». Письма о физических отзывах . 43 (23). Американское физическое общество (APS): 1719–1722. Бибкод : 1979PhRvL..43.1719T. doi : 10.1103/physrevlett.43.1719. ISSN  0031-9007.
  33. ^ Фернандес, Дж.; Мартин, Ф. (2007). «Фотоионизация молекулярного иона HeH + ». Журнал физики Б. 40 (12): 2471–2480. Бибкод : 2007JPhB...40.2471F. дои : 10.1088/0953-4075/40/12/020. S2CID  120284828.
  34. ^ Манноне, Ф., изд. (1993). «Взаимодействие тритиевых материалов». Безопасность в технологии обращения с тритием . Еврокурсы: Ядерная наука и технологии. Том. 1. Спрингер. п. 92. дои : 10.1007/978-94-011-1910-8_4. ISBN 978-94-011-1910-8.
  35. ^ аб Лю, X.-W.; Барлоу, MJ; Далгарно, А.; Теннисон, Дж.; Лим, Т.; Свиньярд, БМ; Черничаро, Дж.; Кокс, П.; Балюто, Ж.-П.; Пикиньо, Д.; Нгуен, QR; Эмери, Р.Дж.; Клегг, ЧП (1997). «Обнаружение CH в NGC 7027 с помощью длинноволнового спектрометра ISO и верхний предел HeH +». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 290 (4): L71–L75. Бибкод : 1997MNRAS.290L..71L. дои : 10.1093/mnras/290.4.l71 .
  36. ^ Харрис, Дж.Дж.; Линас-Грей, AE; Миллер, С.; Теннисон, Дж. (2004). «Роль HeH + в холодных богатых гелием белых карликах». Астрофизический журнал . 617 (2): Л143–Л146. arXiv : astro-ph/0411331 . Бибкод : 2004ApJ...617L.143H. дои : 10.1086/427391. S2CID  18993175.
  37. ^ Нойфельд, Дэвид А.; Далгарно, А. (1989). «Быстрые молекулярные удары. I – Реформация молекул за диссоциативным шоком». Астрофизический журнал . 340 : 869–893. Бибкод : 1989ApJ...340..869N. дои : 10.1086/167441.
  38. ^ Аб Роберж, В.; Дельгарно, А. (1982). «Образование и разрушение HeH + в астрофизической плазме». Астрофизический журнал . 255 : 489–496. Бибкод : 1982ApJ...255..489R. дои : 10.1086/159849.