Ион гидрида гелия - Helium hydride ion
Имена | |
---|---|
Систематическое название ИЮПАК Гидридогелий (1+)[1] | |
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 для материалов приводятся в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
Ссылки на инфобоксы | |
В ион гидрида гелия или же гидридогелий (1+) ион или же гелоний это катион (положительно заряженный ион ) с химическая формула HeH+. Он состоит из гелий атом связанный к водород атом, с одним электрон удаленный. Его также можно рассматривать как протонированный гелий. Это самый легкий гетероядерный ион, и считается первым соединением, образованным в Вселенная после Большой взрыв.[2]
Впервые ион был получен в лаборатории в 1925 году. Он стабилен изолированно, но чрезвычайно реактивен и не может быть получен в массе, потому что он будет реагировать с любой другой молекулой, с которой он вступает в контакт. Отмечен как самый сильный из известных кислота, его появление в межзвездная среда предполагалось с 1970-х годов,[3] и он был окончательно обнаружен в апреле 2019 года с помощью бортового Телескоп SOFIA.[4][5]
Физические свойства
Ион водорода гелия изоэлектронный с молекулярным водород (ЧАС
2).[6]
в отличие от дигидрогенный ион ЧАС+
2ион гидрида гелия имеет постоянную дипольный момент, что упрощает его спектроскопическую характеристику.[7] Расчетный дипольный момент HeH+ составляет 2,26 или 2,84D.[8] Электронная плотность в ионе выше вокруг ядра гелия, чем в водороде. 80% заряда электрона ближе к ядру гелия, чем к ядру водорода.[9]
Спектроскопическое обнаружение затруднено из-за того, что одна из его наиболее заметных спектральных линий - 149,14.мкм, совпадает с дублетом спектральных линий, принадлежащих метилидиновый радикал ⫶CH.[2]
Длина Ковалентная связь в ионе 0,772Å.[10]
Изотопологи
Ион гидрида гелия имеет шесть относительно стабильных изотопологи, которые отличаются изотопы двух элементов, и, следовательно, в общей атомной массовое число (А) и общее количество нейтроны (N) в двух ядрах:
- [3
Он1
ЧАС]+ или же [3
HeH]+ (А = 4, N = 1) [11][12] - [3
Он2
ЧАС]+ или же [3
HeD]+ (А = 5, N = 2) [11][12] - [3
Он3
ЧАС]+ или же [3
HeT]+ (А = 6, N = 3; радиоактивный)[13][11][14] - [4
Он1
ЧАС]+ или же [4
HeH]+ (А = 5, N = 2) [6][15][16][17][12] - [4
Он2
ЧАС]+ или же [4
HeD]+ (А = 6, N = 3) [15][12] - [4
Он3
ЧАС]+ или же [4
HeT]+ (А = 7, N = 4; радиоактивный)
У всех есть три протона и два электрона. Первые три образуются при радиоактивном распаде тритий в молекулах HT = 1
ЧАС3
ЧАС, DT = 2
ЧАС3
ЧАС, и Т
2 = 3
ЧАС
2, соответственно. Последние три могут быть получены путем ионизации соответствующего изотополога ЧАС
2 в присутствии гелия-4.[6]
Следующие изотопологи иона гидрида гелия, иона дигидрогена ЧАС+
2, и из трехводородный ион ЧАС+
3 иметь одинаковое полное атомное массовое число А:
- [3
HeH]+, [D
2]+, [TH]+, [DH
2]+ (А = 4) - [3
HeD]+, [4
HeH]+, [DT]+, [TH
2]+, [D
2ЧАС]+ (А = 5) - [3
HeT]+, [4
HeD]+, [Т
2]+, [TDH]+, [D
3]+ (А = 6) - [4
HeT]+, [TD
2]+, [Т
2ЧАС]+ (А = 7)
Однако массы в каждой строке выше не равны, потому что энергии связи в ядрах различны.[15]
Нейтральная молекула
В отличие от иона гидрида гелия нейтральный гидрид гелия молекула HeH нестабилен в основном состоянии. Однако он действительно существует в возбужденном состоянии как эксимер (HeH *), а его спектр впервые наблюдался в середине 1980-х годов.[18][19][20]
Нейтральная молекула - первая запись в База данных Гмелина.[3]
Химические свойства и реакции
Подготовка
Поскольку HeH+ не может храниться в какой-либо пригодной для использования форме, его химический состав необходимо изучить, сформировав его на месте.
Например, реакции с органическими веществами можно изучать, создавая тритий производное желаемого органического соединения. Распад трития до 3Он+ с последующим извлечением им атома водорода дает 3HeH+ который затем окружается органическим материалом и, в свою очередь, реагирует.[21][22]
Кислотность
HeH+ нельзя приготовить в конденсированная фаза, как бы подарить протон любому анион, молекула или атом, с которыми он контактировал. Было показано протонировать О2, NH3, ТАК2, ЧАС2О, и CO2, давая О2ЧАС+, NH+
4, HSO+
2, ЧАС3О+, и HCO+
2 соответственно.[21] Другие молекулы, такие как оксид азота, диоксид азота, оксид азота, сероводород, метан, ацетилен, этилен, этан, метанол и ацетонитрил реагируют, но распадаются из-за большого количества произведенной энергии.[21]
Фактически, HeH+ самый сильный из известных кислота, с протонное сродство 177,8 кДж / моль.[23] В гипотетический кислотность воды можно оценить с помощью Закон Гесса:
HeH+(грамм) → ЧАС+(грамм) + Он (грамм) +178 кДж / моль [23] HeH+(водный) → HeH+(грамм) +973 кДж / моль (а) ЧАС+(грамм) → ЧАС+(водный) −1530 кДж / моль Он(грамм) → Он(водный) +19 кДж / моль (б) HeH+(водный) → ЧАС+(водный) + Он (водный) −360 кДж / моль
(а) Оценка такая же, как для Li+(водный) → Ли+(грамм).
(б) Оценка по данным растворимости.
А свободная энергия изменение диссоциации на -360 кДж / моль эквивалентно пKа −63 при 298 К.
Прочие гелий-водородные ионы
Дополнительные атомы гелия могут присоединяться к HeH+ образовывать более крупные кластеры, такие как He2ЧАС+, Он3ЧАС+, Он4ЧАС+, Он5ЧАС+ и он6ЧАС+.[21]
Катион гидрида дигелия, He2ЧАС+, образуется в результате реакции дигелий катион с молекулярным водородом:
- Он+
2 + H2 → Он2ЧАС+ + H
Это линейный ион с водородом в центре.[21]
Ион гидрида гексагелия, He6ЧАС+, особенно стабильна.[21]
Другие ионы гидрида гелия известны или изучены теоретически. Ион дигидрида гелия, или дигидридогелий (1+), HeH+
2, наблюдалась с помощью микроволновой спектроскопии.[24] Он имеет расчетную энергию связи 25,1 кДж / моль, а тригидридогелий (1+), HeH+
3, имеет расчетную энергию связи 0,42 кДж / моль.[25]
История
Открытие в ионизационных экспериментах
Гидридогелий (1+), в частности [4
Он1
ЧАС]+, 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 ЧАС+
, ЧАС+
2 и ЧАС+
3. Они отметили, что ЧАС+
3 появились при той же энергии пучка (16 эВ ) в качестве ЧАС+
2, и его концентрация увеличивалась с давлением намного больше, чем у двух других ионов. Из этих данных они сделали вывод, что ЧАС+
2 ионы передавали протон молекулам, с которыми они сталкивались, включая гелий.[6]
В 1933 г. К. Бейнбридж использовал масс-спектрометрии сравнить массы ионов [4
Он1
ЧАС]+ (ион гидрида гелия) и [2
ЧАС
21
ЧАС]+ (дважды дейтерированный ион триводорода), чтобы получить точное измерение атомной массы дейтерия по сравнению с массой гелия. Оба иона имеют 3 протона, 2 нейтрона и 2 электрона. Он также сравнил [4
Он2
ЧАС]+ (ион дейтерида гелия) с [2
ЧАС
3]+ (ион тридейтерия), оба с 3 протонами и 3 нейтронами.[15]
Ранние теоретические исследования
Первая попытка вычислить структуру HeH+ ион (в частности, [4
Он1
ЧАС]+) по квантово-механической теории был сделан Дж. Бичем в 1936 г.[26] В последующие десятилетия время от времени публиковались улучшенные расчеты.[27][28]
Методы распада трития в химии
Г. Шварц заметил в 1955 г., что распад молекулы трития Т
2 = 3
ЧАС
2 должен генерировать ион гидрида гелия [3
HeT]+ с большой вероятностью.
В 1963 г. Ф. Какаче на Римский университет Ла Сапиенца задумал техника распада для подготовки и изучения органических радикалы и карбений ионы.[29] В варианте этой техники экзотические виды, такие как метоний катионы образуются в результате реакции органических соединений с [3
HeT]+ что происходит в результате распада Т
2 который смешивается с желаемыми реагентами. Многое из того, что мы знаем о химии [HeH]+ прошел через эту технику.[30]
Значение для экспериментов с массой нейтрино
В 1980 году В. Любимов (Любимов) на ИТЭФ лаборатория в Москве заявила, что обнаружила умеренно значимую массу покоя (30 ± 16) эВ для нейтрино, анализируя энергетический спектр β-распада трития.[31] Заявление было оспорено, и несколько других групп намеревались проверить его, изучив распад молекулярного трития. Т
2. Было известно, что часть энергии, высвобождаемой при этом распаде, будет направлена на возбуждение продуктов распада, в том числе [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.[нужна цитата ] С тех пор многие улучшили вычисления, и теперь наблюдается довольно хорошее согласие между расчетными и экспериментальными свойствами; в том числе для изотопологов [4
Он2
ЧАС]+, [3
Он1
ЧАС]+, и [3
Он2
ЧАС]+.[17][12]
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
ЧАС]+) должен находиться ближе к видимому свету и, следовательно, его легче наблюдать.[11] Первое обнаружение спектра [4
Он1
ЧАС]+ был сделан Д. Толливером и другими в 1979 году при волновых числах от 1700 до 1900 см.−1.[32] В 1982 году П. Бернат и Т. Амано обнаружили девять инфракрасных линий между 2164 и 3158 волнами на см.[16]
Межзвездное пространство
HeH+ долгое время предполагалось, что с 1970-х годов существует в межзвездная среда.[33] Его первое обнаружение в туманности NGC 7027, сообщается в статье, опубликованной в журнале Природа в апреле 2019 г.[4]
Естественное явление
От распада трития
Ион гидрида гелия образуется при распаде тритий в молекуле HT или молекуле трития T2. Хотя молекула возбуждается отдачей от бета-распада, она остается связанной.[34]
Межзвездная среда
Считается, что это первое соединение, образовавшееся во Вселенной.[2] и имеет фундаментальное значение для понимания химии ранней Вселенной.[35] Это потому, что водород и гелий были почти единственными типами атомов, образовавшихся в Нуклеосинтез Большого взрыва. Звезды, образованные из первичного материала, должны содержать HeH+, что могло повлиять на их формирование и последующую эволюцию. В частности, его сильная дипольный момент делает это актуальным для непрозрачности звезды с нулевой металличностью.[2] HeH+ также считается важным компонентом атмосферы богатых гелием белых карликов, где он увеличивает непрозрачность газа и заставляет звезду охлаждаться медленнее.[36]
HeH+ могут образовываться в охлаждающем газе за диссоциативными скачками в плотных межзвездных облаках, такими как удары, вызванные звездные ветры, сверхновые и истекающий материал от 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+ тогда были бы полезны индикаторы шока.[37]
В качестве возможных мест было предложено несколько мест HeH+ может быть обнаружен. К ним относятся крутые гелиевые звезды,[2] H II регионы,[38] и плотный планетарные туманности,[38] подобно NGC 7027,[35] где в апреле 2019 года HeH+ сообщалось, что были обнаружены.[4]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ «гидридогелий (1+) (CHEBI: 33688)». Химические объекты, представляющие биологический интерес (ChEBI). Европейский институт биоинформатики.
- ^ а б c d е Энгель, Элоди А .; Досс, Наташа; Харрис, Грегори Дж .; Теннисон, Джонатан (2005). «Расчетные спектры HeH+ и его влияние на непрозрачность холодных бедных металлом звезд ». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 357 (2): 471–477. arXiv:Astro-ph / 0411267. Bibcode:2005МНРАС.357..471Э. Дои:10.1111 / j.1365-2966.2005.08611.x. S2CID 17507960.
- ^ а б «Гидридогелий (CHEBI: 33689)». Химические объекты, представляющие биологический интерес (ChEBI). Европейский институт биоинформатики.
- ^ а б c Гюстен, Рольф; Виземейер, Гельмут; Нойфельд, Дэвид; Menten, Karl M .; Graf, Urs U .; Джейкобс, Карл; Кляйн, Бернд; Рикен, Оливер; Рисакер, Кристоф; Штуцки, Юрген (апрель 2019 г.). «Астрофизическое обнаружение иона гидрида гелия HeH.+". Природа. 568 (7752): 357–359. arXiv:1904.09581. Bibcode:2019Натура.568..357G. Дои:10.1038 / с41586-019-1090-х. PMID 30996316. S2CID 119548024.
- ^ Эндрюс, Билл (22 декабря 2019 г.). «Ученые нашли первую молекулу Вселенной». Обнаружить. Получено 22 декабря 2019.
- ^ а б c d Hogness, T. R .; Лунн, Э. Г. (1925). «Ионизация водорода электронным ударом в свете положительного лучевого анализа». Физический обзор. 26 (1): 44–55. Bibcode:1925ПхРв ... 26 ... 44Ч. Дои:10.1103 / PhysRev.26.44.
- ^ Coxon, J .; Хаджигеоргиу, П. Г. (1999). "Экспериментальный потенциал Борна – Оппенгеймера для X1Σ+ Основное состояние HeH+: Сравнение с Ab Initio Потенциал ». Журнал молекулярной спектроскопии. 193 (2): 306–318. Bibcode:1999JMoSp.193..306C. Дои:10.1006 / jmsp.1998.7740. PMID 9920707.
- ^ Диас, А. М. (1999). "Расчет дипольного момента для малых двухатомных молекул: реализация на двухэлектронном самосогласованном поле ab initio Программа » (PDF). Преподобный да Унив де Альфенас. 5 (1): 77–79.
- ^ Дей, Биджой Кр .; Деб, Б. М. (апрель 1999 г.). «Прямой ab initio расчет электронных энергий и плотностей основного состояния для атомов и молекул с помощью единственного уравнения гидродинамики, зависящего от времени». Журнал химической физики. 110 (13): 6229–6239. Bibcode:1999ЖЧФ.110.6229Д. Дои:10.1063/1.478527.
- ^ Койн, Джон П .; Болл, Дэвид В. (2009). «Химия альфа-частиц. Об образовании стабильных комплексов между He2+ и другие простые виды: значение для атмосферной и межзвездной химии ". Журнал молекулярного моделирования. 15 (1): 35–40. Дои:10.1007 / s00894-008-0371-3. PMID 18936986. S2CID 7163073.
- ^ а б c d Кантуэлл, Мюррей (1956). «Молекулярное возбуждение при бета-распаде». Физический обзор. 101 (6): 1747–1756. Bibcode:1956ПхРв..101.1747С. Дои:10.1103 / PhysRev.101.1747..
- ^ а б c d е Вей-Ченг Тунг, Микеле Паванелло и Людвик Адамович (2012): «Точные кривые потенциальной энергии HeH+ изотопологи ". Журнал химической физики, том 137, выпуск 16, страницы 164305. Дои:10.1063/1.4759077
- ^ Шварц, Х. М. (1955). «Возбуждение молекул при бета-распаде составляющего атома». Журнал химической физики. 23 (2): 400–401. Bibcode:1955ЖЧФ..23Р.400С. Дои:10.1063/1.1741982.
- ^ Snell, Arthur H .; Плезонтон, Фрэнсис; Леминг, Х. Э. (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.
- ^ а б c d Бейнбридж, Кеннет Т. (1933). «Сравнение масс H2 и гелий ». Физический обзор. 44 (1): 57. Bibcode:1933ПхРв ... 44 ... 57Б. Дои:10.1103 / PhysRev.44.57.
- ^ а б Bernath, P .; Амано, Т. (1982). "Обнаружение основного инфракрасного диапазона HeH+". Письма с физическими проверками. 48 (1): 20–22. Bibcode:1982ПхРвЛ..48 ... 20Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.48.20.
- ^ а б Пачуцкий, Кшиштоф; Комаса, Яцек (2012). «Колебательные уровни иона гидрида гелия». Журнал химической физики. 137 (20): 204314. Bibcode:2012ЖЧФ.137т4314П. Дои:10.1063/1.4768169. PMID 23206010.
- ^ Мёллер, Томас; Беланд, Майкл; Циммерер, Георг (1985). «Наблюдение за флуоресценцией молекулы HeH». Письма с физическими проверками. 55 (20): 2145–2148. Bibcode:1985ПхРвЛ..55.2145М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.2145. PMID 10032060.
- ^ "Вольфганг Кеттерле: Нобелевская премия по физике 2001 г.". nobelprize.org.
- ^ Ketterle, W .; Фиггер, H .; Вальтер, Х. (1985). «Спектры излучения связанного гидрида гелия». Письма с физическими проверками. 55 (27): 2941–2944. Bibcode:1985ПхРвЛ..55.2941К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.2941. PMID 10032281.
- ^ а б c d е ж Грандинетти, Феличе (октябрь 2004 г.). «Химия гелия: обзор роли ионных частиц». Международный журнал масс-спектрометрии. 237 (2–3): 243–267. Bibcode:2004IJMSp.237..243G. Дои:10.1016 / j.ijms.2004.07.012.
- ^ Какаче, Фульвио (1970). Газообразные ионы карбония от распада тритий-содержащих молекул.. Успехи физико-органической химии. 8. С. 79–149. Дои:10.1016 / S0065-3160 (08) 60321-4. ISBN 9780120335084.
- ^ а б Lias, S. G .; Liebman, J. F .; Левин, Р. Д. (1984). «Оценка основности газовой фазы и протонного сродства молекул; Теплоты образования протонированных молекул». Журнал физических и химических справочных данных. 13 (3): 695. Bibcode:1984JPCRD..13..695L. Дои:10.1063/1.555719.
- ^ Кэррингтон, Алан; Гэмми, Дэвид I .; Шоу, Эндрю М .; Тейлор, Сьюзи М .; Хатсон, Джереми М. (1996). «Наблюдение микроволнового спектра дальнего He ⋯ЧАС+
2 сложный". Письма по химической физике. 260 (3–4): 395–405. Bibcode:1996CPL ... 260..395C. Дои:10.1016/0009-2614(96)00860-3. - ^ Паузат, Ф .; Эллингер, Ю. (2005). «Где в космосе прячутся благородные газы?». В Марквик-Кемпер, А. Дж. (Ред.). Астрохимия: недавние успехи и современные вызовы (PDF). Плакат Симпозиума МАС № 231. 231. Bibcode:2005IAUS..231 ..... L. Архивировано из оригинал (PDF) 02 февраля 2007 г.
- ^ Бич, Дж. Ю. (1936). «Квантово-механическая обработка молекулы гидрида гелия-ион HeH+". Журнал химической физики. 4 (6): 353–357. Bibcode:1936ЖЧФ ... 4..353Б. Дои:10.1063/1.1749857.
- ^ Toh, Sôroku (1940). «Квантово-механическая обработка молекулы гидрида гелия иона HeH.+". Труды Физико-математического общества Японии. 3-я серия. 22 (2): 119–126. Дои:10.11429 / ppmsj1919.22.2_119.
- ^ Эветт, Артур А. (1956). «Основное состояние иона гелий-гидрид». Журнал химической физики. 24 (1): 150–152. Bibcode:1956ЖЧФ..24..150Э. Дои:10.1063/1.1700818.
- ^ Какаче, Фульвио (1990). «Методы ядерного распада в ионной химии». Наука. 250 (4979): 392–399. Bibcode:1990Sci ... 250..392C. Дои:10.1126 / science.250.4979.392. PMID 17793014. S2CID 22603080.
- ^ Сперанца, Маурицио (1993). «Тритий для образования карбокатионов». Химические обзоры. 93 (8): 2933–2980. Дои:10.1021 / cr00024a010.
- ^ Любимов, В.А .; Новиков, Э.Г .; Нозик, В.З .; Третьяков, Э.Ф .; Косик, В. (1980). "Оценка νе масса из β-спектра трития в молекуле валина ». Письма по физике B. 94 (2): 266–268. Bibcode:1980ФЛБ ... 94..266Л. Дои:10.1016/0370-2693(80)90873-4..
- ^ Дэвид Э. Толливер, Джордж А. Кирала и Уильям Х. Винг (1979): «Наблюдение инфракрасного спектра молекулярного иона гидрида гелия. [4
HeH]+". Письма с физическими проверками, том 43, выпуск 23, страницы 1719-1722. Дои:10.1103 / PhysRevLett.43.1719 - ^ Fernández, J .; Мартин, Ф. (2007). «Фотоионизация HeH+ молекулярный ион ». Журнал физики B. 40 (12): 2471–2480. Bibcode:2007JPhB ... 40.2471F. Дои:10.1088/0953-4075/40/12/020.
- ^ Mannone, F., ed. (1993). Безопасность в технологии обращения с тритием. Springer. п. 92. Дои:10.1007/978-94-011-1910-8_4. ISBN 978-94-011-1910-8.
- ^ а б Лю, X.-W .; Barlow, M. J .; Dalgarno, A .; Tennyson, J .; Lim, T .; Swinyard, B.M .; Cernicharo, J .; Cox, P .; Baluteau, J.P .; Pequignot, D .; Nguyen, Q. R .; Emery, R.J .; Клегг, П. Э. (1997). "Длинноволновый спектрометр ISO обнаруживает CH в NGC 7027 и HeH+ верхний предел". Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества. 290 (4): L71 – L75. Bibcode:1997МНРАС.290Л..71Л. Дои:10.1093 / mnras / 290.4.l71.
- ^ Харрис, Г. Дж .; Lynas-Gray, A.E .; Miller, S .; Теннисон, Дж. (2004). "Роль HeH+ в Холодных белых карликах, богатых гелием ». Астрофизический журнал. 617 (2): L143 – L146. arXiv:astro-ph / 0411331. Bibcode:2004ApJ ... 617L.143H. Дои:10.1086/427391. S2CID 18993175.
- ^ Neufeld, David A .; Далгарно, А. (1989). «Быстрые молекулярные удары. I - Реформация молекул за диссоциативным ударом». Астрофизический журнал. 340: 869–893. Bibcode:1989ApJ ... 340..869N. Дои:10.1086/167441.
- ^ а б Роберж, В .; Дельгарно, А. (1982). "Образование и разрушение HeH+ в астрофизической плазме ». Астрофизический журнал. 255: 489–496. Bibcode:1982ApJ ... 255..489R. Дои:10.1086/159849.