Loading AI tools
хімічна сполука З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Іон гідриду гелію або йон гідридогелію(1+) або гелоній є катіоном (позитивно зарядженим іоном) з хімічною формулою HeH+. Він складається з атома гелію, зв’язаного з атомом водню з одним вилученим електроном. Його також можна розглядати як протонований гелій. Він є найлегшим гетероядерним іоном, і вважається першою сполукою, що утворилася у Всесвіті після Великого Вибуху.[2]
Йон гідриду гелію | |
---|---|
![]() Простірзаповнююча модель іону гелій гідриду | |
![]() Кулестержнева модель іону гелій гідриду | |
Систематична назва | Гідридогелій(1+)[1] |
Інші назви | Гелоній Гелій гідрид Гідрид гелію |
Ідентифікатори | |
ChEBI | 33688 |
SMILES | [HeH+] |
InChI | InChI=1S/HHe/h1H/q+1 |
Номер Гмеліна | 2 |
Властивості | |
Молекулярна формула | HHe |
Молярна маса | 5,01 г/моль |
Якщо не зазначено інше, дані наведено для речовин у стандартному стані (за 25 °C, 100 кПа) | |
Інструкція з використання шаблону | |
Примітки картки |
Уперше йон був отриманий у лабораторії в 1925 році. Він стабільний ізольовано, але надзвичайно активний, і його не можна масово виробляти, оскільки реагує з будь-якою іншою молекулою при контакті. Відзначений як найсильніша відома кислота — сильніший навіть за фторантимонову кислоту — його знаходження в міжзоряному середовищі припускали ще з 1970-х років,[3] і нарешті його було виявлено у квітні 2019 року за допомогою бортового телескопа SOFIA.[4][5]
Іон водневого гелію є ізоелектронним з молекулярним воднем (H
2).[6]
На відміну від диводневого іона H+
2, іон гідриду гелію має постійний дипольний момент, що полегшує його спектроскопічну характеристизацію.[7] Розрахований дипольний момент HeH+ дорівнює 2,26 або 2,84 D.[8] Електронна густина в іоні вища навколо ядра гелію, ніж водню, 80% заряду електрона ближчі до ядра гелію.[9]
Спектроскопічне виявлення утруднене, оскільки одна з його найпомітніших спектральних ліній, 149,14 мкм, збігається з близнюком спектральних ліній, що належать метилідиновому радикалу ⫶CH.[2]
Довжина ковалентного зв'язку в іоні 0,772 Å.[10]
Іон гідриду гелію має шість відносно стабільних ізотопологів, які відрізняються ізотопами двох елементів, а отже, загальним числом атомної маси (A) і загальною кількістю нейтронів (N) у двох ядрах.
Усі вони мають три протони і два електрони. Перші три утворюються в результаті радіоактивного розпаду тритію в молекулах = , = , і = відповідно. Останні три можна отримати шляхом іонізації відповідного ізотополога в присутності гелію-4.[6]
Наступні ізотопологи іона гелію гідриду, іона диводню і триводневого іона мають однакове загальне атомне масове число A:
Проте маси в кожному рядку вище не рівні, оскільки енергії зв’язку в ядрах різні.[19]
На відміну від іона гідриду гелію, нейтральна молекула гідриду гелію HeH не стабільна в основному стані. Однак він існує в збудженому стані як ексимер (HeH*), і його спектр уперше спостерігався в середині 1980-х років.[20][21][22]
Нейтральна молекула є першим записом у базі даних Gmelin.[3]
Оскільки HeH+ не може зберігатися в будь-якій придатній для використання формі, його хімію доводиться вивчати його формуванням in situ.
Реакції з органічними речовинами, наприклад, можна вивчати, створюючи похідний тритію з потрібної органічної сполуки. Розпад тритію до 3He+ з подальшим виділенням ним атома водню дає 3HeH+ який потім оточується органічним матеріалом і, у свою чергу, вступає в реакцію.[23][24]
HeH+ не може бути отриманий в конденсованій фазі, оскільки він віддає протон будь-якому аніону, молекулі або атому, з якими він контактує. Було показано, що він протонує O2, NH3, SO2, H2O і CO2, утворюючи O2H+, NH+
4, HSO+
2, H3O+ і HCO+
2 відповідно.[23] Інші молекули, такі як оксид азоту, діоксид азоту, закис азоту, сірководень, метан, ацетилен, етилен, етан, метанол і ацетонітрил, теж реагують, але розпадаються через велику кількість виробленої енергії.[23]
Фактично, HeH+ є найсильнішою відомою кислотою з протонною спорідненістю 177,8 кДж/моль.[25] Гіпотетичну кислотність водної рідини можна оцінити за допомогою закону Гесса:
HeH+(газ) | → | H+(газ) | + He(газ) | +178 kJ/mol | [26] |
HeH+(рід) | → | HeH+(газ) | +973 kJ/mol | (a) | |
H+(газ) | → | H+(рід) | −1530 kJ/mol | ||
He(газ) | → | He(рід) | +19 kJ/mol | (b) | |
HeH+(рід) | → | H+(рід) | + He(рід) | −360 kJ/mol |
(a) Оцінено так само, як і для Li+ (рід) → Li+ (газ).
(b) Оцінено на основі даних про розчинність.
Зміна вільної енергії дисоціації -360 кДж/моль еквівалентна до pKa, що дорівнює -63 при 298 К.
До HeH+ можуть приєднуватися додаткові атоми гелію, утворюючи великі кластери, такі як He2H+, He3H+, He4H+, He5H+ і He6H+.[23]
Катіон гідриду дигелію, He2H+, утворюється в результаті реакції катіону дигелію з молекулярним воднем:
Це лінійний іон з воднем у центрі.[23]
Іон гідриду гексагелію He6H+ є особливо стабільним.[23]
Інші іони гідриду гелію відомі або вивчені теоретично. Дігідрид-іон гелію, або дигідридогелій(1+), HeH+
2, спостерігали за допомогою мікрохвильової спектроскопії.[27] Він має розраховану енергію зв’язку 25,1 кДж/моль, тоді як тригідридогелій(1+), HeH+
3, має розраховану енергію зв'язку 0,42 кДж/моль.[28]
Гідридогелій(1+), зокрема, уперше був опосередковано виявлений у 1925 році Т. Р. Гоґнессом та Е. Г. Лунном. Вони вводили протони з відомою енергією в розріджену суміш водню та гелію, щоби вивчити утворення іонів водню, таких як H+
, H+
2 і H+
3. Вони помітили, що H+
3 з'явився при тій же енергії пучка (16 еВ), що й H+
2, і його концентрація збільшувалася з тиском набагато більше, ніж у двох інших іонів. Із цих даних вони зробили висновок, що іони H+
2переносили протон молекулам, з якими вони зіткнулися, включаючи гелій.[6]
У 1933 р. К. Бейнбридж використав мас-спектрометрію для порівняння мас іонів (іон гідриду гелію) і (двічі дейтерований триводневий іон) для отримання точного вимірювання атомної маси дейтерію відносно атомної маси гелію. Обидва йони мають 3 протони, 2 нейтрони і 2 електрони. Він також порівняв (іон дейтериду гелію) з (іон тридейтерію), обидва з 3 протонами і 3 нейтронами.[19]
Перша спроба обчислити структуру йона HeH+ (зокрема, ) за квантово-механічною теорією була зроблена Дж. Бічем у 1936 р.[29] Покращені обчислення спорадично публікувалися впродовж наступних десятиліть.[30][31]
Г. Шварц спостерігав у 1955 р., що розпад молекули тритію = повинен із високою ймовірністю генерувати іон гідриду гелію .
У 1963 р. Ф. Какаче з Римського університету ла Сап'єнца розробив техніку розпаду для отримання й вивчення органічних радикалів та йонів карбенію.[32] У варіанті цієї техніки екзотичні види, такі як катіон метонію, отримують шляхом взаємодії органічних сполук з , що утворюється при розпаді , який змішують з потрібними реагентами. Більшість знань про хімію були отримані через цю техніку.[33]
У 1980 р В. Любимов у лабораторії ІТЕФ у Москві стверджував, що виявив доволі значну масу спокою (30 ± 16) еВ для нейтрино, шляхом аналізу енергетичного спектра β-розпаду тритію.[34] Твердження було оскаржене, і кілька інших груп вирішили перевірити його, вивчаючи розпад молекулярного тритію T
2. Було відомо, що частина енергії, що виділяється при цьому розпаді, буде спрямована на збудження продуктів розпаду, в т.ч. ; і це явище може бути значним джерелом помилки в цьому експерименті. Це спостереження спонукало до численних зусиль для точного обчислення очікуваних енергетичних станів цього йона, що б зменшило невизначеність цих вимірювань. З тих пір обчислення були багатьма покращені й існує досить добра узгодженість між обчислювальними та експериментальними властивостями; в тому числі для ізотопологів , і .[35][36]
У 1956 р. М. Кантвелл теоретично передбачив, що спектр коливань цього йона має бути спостережуваним в інфрачервоному діапазоні й спектри дейтерію та звичайних ізотопологів водню ( і ) мають лежати ближче до видимого світла, а тому їх легше спостерігати.[37] Перше виявлення спектру зроблено Д. Толлівером та іншими в 1979 році при хвильових числах між 1700 і 1900 см −1.[38] У 1982 році П. Бернат і Т. Амано виявили дев'ять інфрачервоних ліній між 2164 і 3158 хвилями на см.[39]
З 1970-х років вже вважалося, що HeH+ існує в міжзоряному середовищі.[40] Його перше виявлення в туманності NGC 7027 повідомляється в статті, опублікованій у журналі Nature у квітні 2019 року.[4]
Іон гідриду гелію утворюється під час розпаду тритію в молекулі HT або в молекулі тритію T2. Незважаючи на те, що молекула збуджена віддачею від бета-розпаду, вона залишається зв’язаною.[41]
Уважається, що це перша сполука, яка утворилася ві Всесвіті[2] і вона має фундаментальне значення для розуміння хімії раннього Всесвіту.[42] Це пов’язано з тим, що водень і гелій були майже єдиними типами атомів, утворених під час нуклеосинтезу Великого вибуху. Зірки, утворені з первісного матеріалу, повинні містити HeH+, що може вплинути на їхнє формування та подальшу еволюцію. Зокрема, його сильний дипольний момент робить його важливим для непрозорости зірок з нульовою металічністю.[2] Також вважається, що HeH+ є важливою складовою атмосфери багатих гелієм білих карликів, де він збільшує непрозорість газу і змушує зірку охолоджуватися повільніше.[43]
HeH+ може утворюватися в охолоджувальному газі за дисоціативними ударами в щільних міжзоряних хмарах, таких як поштовхи, викликані зоряними вітрами, надновими і матеріалом, що витікає з молодих зірок. Якщо швидкість поштовху перевищує приблизно 90 км/с (56 mi/s), можуть утворюватися достатньо великі для виявлення його кількості. При виявленні викиди HeH+ будуть корисними індикаторами удару.[44]
Було запропоновано кілька можливих місць де HeH+ може бути виявлений. Сюди входять холодні гелієві зірки,[2] зони H II [45] та щільні планетарні туманності,[45] як NGC 7027[42], де у квітні 2019 року, як повідомлялося, було виявлено HeH+.[4]
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.