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]
Фізичні властивості
Іон водневого гелію є ізоелектронним з молекулярним воднем (H 2).[6]
На відміну від диводневого іонаH+ 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]
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:
(A = 4)
(A = 5)
(A = 6)
(A = 7)
Проте маси в кожному рядку вище не рівні, оскільки енергії зв’язку в ядрах різні.[19]
Нейтральна молекула
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]
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]
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]
Історія
Відкриття в іонізаційних експериментах
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]
Ранні теоретичні дослідження
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]
Методи розпаду тритію в хімії
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]
Наслідки для експериментів з масою нейтрино
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]
Спектральні передбачення та виявлення
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]
Міжзоряний простір
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]
Поширення в природі
Від розпаду тритію
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]
Міжзоряне середовище
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 кілометрів за секунду (56 миля/с), 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]
Посилання
↑hydridohelium(1+) (CHEBI:33688). Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). European Bioinformatics Institute. Архів оригіналу за 19 квітня 2019. Процитовано 31 січня 2022.
↑ абвгдEngel, Elodie A.; Doss, Natasha; Harris, Gregory J.; Tennyson, Jonathan (2005). Calculated spectra for HeH+ and its effect on the opacity of cool metal-poor stars. 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.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
↑ абHydridohelium (CHEBI:33689). Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). European Bioinformatics Institute. Архів оригіналу за 31 січня 2022. Процитовано 31 січня 2022.
↑ абвGüsten, Rolf; Wiesemeyer, Helmut; Neufeld, David; Menten, Karl M.; Graf, Urs U.; Jacobs, Karl; Klein, Bernd; Ricken, Oliver; Risacher, Christophe (April 2019). Astrophysical detection of the helium hydride ion HeH+. Nature. 568 (7752): 357—359. arXiv:1904.09581. Bibcode:2019Natur.568..357G. doi:10.1038/s41586-019-1090-x. PMID30996316.
↑Coxon, J.; Hajigeorgiou, P. G. (1999). Experimental Born–Oppenheimer Potential for the X1Σ+ Ground State of HeH+: Comparison with the Ab Initio Potential. Journal of Molecular Spectroscopy. 193 (2): 306—318. Bibcode:1999JMoSp.193..306C. doi:10.1006/jmsp.1998.7740. PMID9920707.
↑Dey, Bijoy Kr.; Deb, B. M. (April 1999). Direct ab initio calculation of ground-state electronic energies and densities for atoms and molecules through a time-dependent single hydrodynamical equation. The Journal of Chemical Physics. 110 (13): 6229—6239. Bibcode:1999JChPh.110.6229D. doi:10.1063/1.478527.
↑Coyne, John P.; Ball, David W. (2009). Alpha particle chemistry. On the formation of stable complexes between He2+ and other simple species: implications for atmospheric and interstellar chemistry. Journal of Molecular Modeling. 15 (1): 35—40. doi:10.1007/s00894-008-0371-3. PMID18936986.
↑Lias, S. G.; Liebman, J. F.; Levin, R. D. (1984). Evaluated Gas Phase Basicities and Proton Affinities of Molecules; Heats of Formation of Protonated Molecules. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 13 (3): 695. Bibcode:1984JPCRD..13..695L. doi:10.1063/1.555719.
↑Lias, S. G.; Liebman, J. F.; Levin, R. D. (1984). Evaluated Gas Phase Basicities and Proton Affinities of Molecules; Heats of Formation of Protonated Molecules. Journal of Physical and Chemical Reference Data. 13 (3): 695. Bibcode:1984JPCRD..13..695L. doi:10.1063/1.555719.
↑Carrington, Alan; Gammie, David I.; Shaw, Andrew M.; Taylor, Susie M.; Hutson, Jeremy M. (1996). Observation of a microwave spectrum of the long-range He⋯H+ 2 complex. Chemical Physics Letters. 260 (3–4): 395—405. Bibcode:1996CPL...260..395C. doi:10.1016/0009-2614(96)00860-3.
↑Toh, Sôroku (1940). Quantum-Mechanical Treatment of Helium-Hydride Molecule Ion HeH+. Proceedings of the Physico-Mathematical Society of Japan. 3rd Series. 22 (2): 119—126. doi:10.11429/ppmsj1919.22.2_119.
↑Speranza, Maurizio (1993). Tritium for generation of carbocations. Chemical Reviews. 93 (8): 2933—2980. doi:10.1021/cr00024a010.
↑Lubimov, V.A.; Novikov, E.G.; Nozik, V.Z.; Tretyakov, E.F.; Kosik, V.S. (1980). An estimate of the νe mass from the β-spectrum of tritium in the valine molecule. Physics Letters B. 94 (2): 266—268. Bibcode:1980PhLB...94..266L. doi:10.1016/0370-2693(80)90873-4.
↑Tolliver, David E.; Kyrala, George A.; Wing, William H. (3 грудня 1979). Observation of the Infrared Spectrum of the Helium-Hydride Molecular Ion [4HeH]+. Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 43 (23): 1719—1722. Bibcode:1979PhRvL..43.1719T. doi:10.1103/physrevlett.43.1719. ISSN0031-9007.
↑ абLiu, X.-W.; Barlow, M. J.; Dalgarno, A.; Tennyson, J.; Lim, T.; Swinyard, B. M.; Cernicharo, J.; Cox, P.; Baluteau, J.-P. (1997). An ISO Long Wavelength Spectrometer detection of CH in NGC 7027 and an HeH+ upper limit. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 290 (4): L71—L75. Bibcode:1997MNRAS.290L..71L. doi:10.1093/mnras/290.4.l71.{{cite journal}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)