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 , H ₂ ⁺ .

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 , и было окончательно подтверждено в 2019 году .

Физические свойства

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

Длина ковалентной связи в ионе составляет 0,772 Å .

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.

Нейтральная молекула является первой записью в базе данных Gmelin.

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 ³ Не ⁺ с последующим его выделением атома водорода дает ³ НеН ⁺ , который затем окружается органическим материалом и, в свою очередь, вступает в реакцию.

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 O ₂ , NH ₃ , SO ₂ , H ₂ O и CO ₂ , давая O ₂ H ⁺ , N H ₄ ⁺ , H S O ₂ ⁺ , H ₃ O ⁺ и H C O ₂ ⁺ . 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.

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

HeH + ( g )	→	H + ( g )	+ He( g )	+178 kJ/mol
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 p K _a −63.

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 ⁺ .

Катион гидрида дигелия, He ₂ H ⁺ , образуется в результате реакции катиона дигелия с молекулярным водородом:

He ₂ ⁺ + H ₂ → He ₂ H ⁺ + H

Это линейный ион с водородом в центре.

Ион гексагелий гидрида, He ₆ H ⁺ , является особенно стабильным.

Другие ионы гидрида гелия известны или были изучены теоретически. Ион дигидрида гелия или дигидридогелий (1+) НеH ₂ ⁺ , наблюдался с помощью микроволновой спектроскопии . Он имеет расчетную энергию связи 25,1 кДж / моль, в то время как тригидридогелий (1+) , НеH ₃ ⁺ , имеет расчётную энергию связи 0,42 кДж/моль .

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 ⁺ , H ₂ ⁺ и H ₃ ⁺ . Они заметили, что H ₃ ⁺ появился при той же энергии пучка (16 эВ ), что и H ₂ ⁺ , и его концентрация увеличивается с давлением гораздо больше, чем у двух других ионов. Из этих данных они пришли к выводу, что ионы H ₂ ⁺ передавали протон молекулам, с которыми они сталкивались, включая гелий .

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

Нахождение в природе

От распада трития

Ион гидрида гелия образуется при распаде трития в молекуле HT или в молекуле трития T ₂ . Хотя она возбуждается отдачей от бета-распада, молекула остается связанной вместе.

Межзвездная среда

Считается, что это первое соединение, которое сформировалось во вселенной, и имеет фундаментальное значение для понимания химии ранней вселенной. 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 . Также считается, что HeH ⁺ является важной составляющей атмосферы богатых гелием белых карликов , где он увеличивает непрозрачность газа и заставляет звезду медленнее охлаждаться.

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

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.

Примечания

Литература

• (англ.) ( (англ.) . — CRC Press .

Ссылки

• (неопр.) . Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI) . European Bioinformatics Institute.