Ion hydridu hélia - Helium hydride ion
![]() | |
![]() | |
Jména | |
---|---|
Systematický název IUPAC Hydridohelium (1+)[1] | |
Identifikátory | |
3D model (JSmol ) | |
ChEBI |
|
ChemSpider | |
2 | |
| |
| |
Vlastnosti | |
HeH+ | |
Molární hmotnost | 5,01054 g · mol−1 |
Konjugovaná základna | Hélium |
Pokud není uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v nich standardní stav (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
Reference Infoboxu | |
The iont hydridu helia nebo ion hydridohelia (1+) nebo helonium je kation (kladně nabitý ion ) s chemický vzorec HeH+. Skládá se z a hélium atom vázané do a vodík atom, s jedním elektron odstraněn. Lze jej také považovat za protonované hélium. Je to nejlehčí heteronukleární iontu a je považována za první sloučeninu vytvořenou v Vesmír po Velký třesk.[2]
Ion byl poprvé vyroben v laboratoři v roce 1925. Je izolovaný stabilní, ale extrémně reaktivní a nelze jej připravit hromadně, protože by reagoval s jakoukoli jinou molekulou, se kterou přišel do styku. Známý jako nejsilnější známý kyselina, jeho výskyt v mezihvězdné médium se předpokládá od 70. let,[3] a to bylo nakonec zjištěno v dubnu 2019 pomocí palubního SOFIA dalekohled.[4][5]
Fyzikální vlastnosti
Vodíkový ion helia je izoelektronický s molekulárním vodík (H
2).[6]
Na rozdíl od dihydrogen ion H+
2má iont hydridu hélia permanentní dipólový moment, což usnadňuje jeho spektroskopickou charakterizaci.[7] Vypočítaný dipólový moment HeH+ je 2,26 nebo 2,84D.[8] Hustota elektronů v iontu je vyšší kolem jádra helia než vodík. 80% elektronového náboje je blíže jádru helia než jádru vodíku.[9]
Spektroskopická detekce je omezena, protože jedna z jejích nejvýznamnějších spektrálních linií, na 149,14μm, se shoduje s dubletem spektrálních čar patřících k methylidinový radikál ⫶CH.[2]
Délka kovalentní vazba v iontu je 0,772A.[10]
Izotopologové
Ion hydridu hélia má šest relativně stabilních izotopologové, které se liší v izotopy ze dvou prvků, a tedy v celkové atomové hromadné číslo (A) a celkový počet neutrony (N) ve dvou jádrech:
- [3
On1
H]+ nebo [3
HeH]+ (A = 4, N = 1) [11][12] - [3
On2
H]+ nebo [3
HeD]+ (A = 5, N = 2) [11][12] - [3
On3
H]+ nebo [3
HeT]+ (A = 6, N = 3; radioaktivní)[13][11][14] - [4
On1
H]+ nebo [4
HeH]+ (A = 5, N = 2) [6][15][16][17][12] - [4
On2
H]+ nebo [4
HeD]+ (A = 6, N = 3) [15][12] - [4
On3
H]+ nebo [4
HeT]+ (A = 7, N = 4; radioaktivní)
Všechny mají tři protony a dva elektrony. První tři jsou generovány radioaktivním rozpadem tritium v molekulách HT = 1
H3
H, DT = 2
H3
H, a T
2 = 3
H
2, resp. Poslední tři lze generovat ionizací příslušného izotopologu H
2 v přítomnosti helia-4.[6]
Následující izotopologové iontu hydridu hélia, dihydrogenového iontu H+
2a trihydrogen ion H+
3 mají stejné celkové číslo atomové hmotnosti A:
- [3
HeH]+, [D
2]+, [TH]+, [DH
2]+ (A = 4) - [3
HeD]+, [4
HeH]+, [DT]+, [TH
2]+, [D
2H]+ (A = 5) - [3
HeT]+, [4
HeD]+, [T
2]+, [TDH]+, [D
3]+ (A = 6) - [4
HeT]+, [TD
2]+, [T
2H]+ (A = 7)
Hmoty v každém řádku výše nejsou stejné, protože vazebné energie v jádrech jsou různé.[15]
Neutrální molekula
Na rozdíl od iontu hydridu helia je neutrální hydrid helia molekula HeH není stabilní v základním stavu. Existuje však ve vzrušeném stavu jako excimer (HeH *) a jeho spektrum bylo poprvé pozorováno v polovině 80. let.[18][19][20]
Neutrální molekula je první vstup do Databáze Gmelin.[3]
Chemické vlastnosti a reakce
Příprava
Protože HeH+ nemůže být uložen v žádné použitelné formě, jeho chemie musí být studována jeho vytvořením in situ.
Například reakce s organickými látkami lze studovat vytvořením a tritium derivát požadované organické sloučeniny. Rozpad tritia na 3On+ následuje extrakce atomu vodíku 3HeH+ který je pak obklopen organickým materiálem a bude zase reagovat.[21][22]
Kyselost
HeH+ nelze připravit v kondenzovaná fáze, jak by to bylo darovat proton každému anion, molekula nebo atom, se kterým přišel do styku. Bylo prokázáno, že protonuje Ó2, NH3, TAK2, H2Ó, a CO2 dávat Ó2H+, NH+
4, HSO+
2, H3Ó+, a HCO+
2 resp.[21] Další molekuly jako např oxid dusnatý, oxid dusičitý, oxid dusičitý, sirovodík, metan, acetylén, ethylen, etan, methanolu a acetonitril reagovat, ale rozpadnout se kvůli velkému množství vyrobené energie.[21]
Ve skutečnosti, HeH+ je nejsilnější známý kyselina, s afinita k protonům 177,8 kJ / mol.[23] The hypotetický kyselost vody lze odhadnout pomocí Hessův zákon:
HeH+(G) → H+(G) + On (G) +178 kJ / mol [23] HeH+(vod) → HeH+(G) +973 kJ / mol (A) H+(G) → H+(vod) -1530 kJ / mol On(G) → On(vod) +19 kJ / mol b) HeH+(vod) → H+(vod) + On (vod) -360 kJ / mol
(a) Odhaduje se, že je stejný jako u Li+(vod) → Li+(G).
(b) Odhaduje se z údajů o rozpustnosti.
A energie zdarma změna disociace -360 kJ / mol odpovídá a pK.A -63 při 298 K.
Jiné ionty helia a vodíku
K HeH se mohou připojit další atomy helia+ tvořit větší shluky, jako je On2H+, On3H+, On4H+, On5H+ a on6H+.[21]
Kation hydridu dihelia, He2H+, vzniká reakcí dihelium kation s molekulárním vodíkem:
- On+
2 + H2 → On2H+ + H
Je to lineární iont s vodíkem uprostřed.[21]
Ion hydridu hexahelia, He6H+, je zvláště stabilní.[21]
Jiné ionty hydridu helia jsou známé nebo byly studovány teoreticky. Ion dihydridu helia nebo dihydridohelium (1+), HeH+
2, bylo pozorováno pomocí mikrovlnné spektroskopie.[24] Má vypočítanou vazebnou energii 25,1 kJ / mol trihydridohelium (1+), HeH+
3, má vypočítanou vazebnou energii 0,42 kJ / mol.[25]
Dějiny
Objev v ionizačních experimentech
Hydridohelium (1+), konkrétně [4
On1
H]+, byla poprvé zjištěna nepřímo v roce 1925 T. R. Hognessem a E. G. Lunnem. Vstřikovali protony známé energie do vzácné směsi vodíku a hélia, aby studovali tvorbu vodíkových iontů jako H+
, H+
2 a H+
3. Pozorovali to H+
3 se objevil na stejné energii paprsku (16 eV ) tak jako H+
2a jeho koncentrace rostla s tlakem mnohem více než u ostatních dvou iontů. Na základě těchto údajů dospěli k závěru, že H+
2 ionty přenášely proton na molekuly, se kterými se srazily, včetně helia.[6]
V roce 1933 použil K. Bainbridge hmotnostní spektrometrie porovnat masy iontů [4
On1
H]+ (iont hydridu helia) a [2
H
21
H]+ (dvakrát deuterovaný trihydrogenový iont) za účelem získání přesného měření atomové hmotnosti deuteria vzhledem k hmotnosti helia. Oba ionty mají 3 protony, 2 neutrony a 2 elektrony. Také porovnával [4
On2
H]+ (iont deuteridu helia) s [2
H
3]+ (trideuterium ion), oba se 3 protony a 3 neutrony.[15]
Rané teoretické studie
První pokus o výpočet struktury HeH+ ion (konkrétně [4
On1
H]+) pomocí kvantové mechanické teorie vytvořil J. Beach v roce 1936.[26] Vylepšené výpočty byly v příštích desetiletích sporadicky publikovány.[27][28]
Metody rozpadu tritia v chemii
H. Schwartz v roce 1955 pozoroval rozpad molekuly tritia T
2 = 3
H
2 by měl generovat iont hydridu helia [3
HeT]+ s vysokou pravděpodobností.
V roce 1963 F. Cacace na Univerzita Sapienza v Římě pojal technika rozpadu pro přípravu a studium organických radikály a karbenium ionty.[29] V variantě této techniky jsou exotické druhy jako methonium kationy se vyrábějí reakcí organických sloučenin s [3
HeT]+ který je produkován rozpadem T
2 který je smíchán s požadovanými reagenty. Hodně z toho, co víme o chemii [HeH]+ prošel touto technikou.[30]
Důsledky pro hromadné experimenty s neutriny
V roce 1980 V. Lubimov (Lyubimov) na ITEP laboratoř v Moskvě prohlásila, že u EU detekovala mírně významnou klidovou hmotnost (30 ± 16) eV neutrino analýzou energetického spektra β rozpadu tritia.[31] Tvrzení bylo sporné a několik dalších skupin se ho rozhodlo ověřit studiem rozpadu molekulárního tritia T
2. Bylo známo, že část energie uvolněné tímto rozpadem bude odváděna na buzení produktů rozpadu, včetně [3
HeT]+; a tento jev by mohl být významným zdrojem chyb v tomto experimentu. Toto pozorování motivovalo mnoho úsilí k přesnému výpočtu očekávaných energetických stavů tohoto iontu, aby se snížila nejistota těchto měření.[Citace je zapotřebí ] Mnoho z nich od té doby vylepšilo výpočty a nyní existuje docela dobrá shoda mezi vypočítanými a experimentálními vlastnostmi; včetně izotopologů [4
On2
H]+, [3
On1
H]+, a [3
On2
H]+.[17][12]
Spektrální předpovědi a detekce
V roce 1956 M. Cantwell teoreticky předpověděl, že spektrum vibrací tohoto iontu by mělo být pozorovatelné v infračervené oblasti; a spektra deuteria a běžných izotopologů vodíku ([3
HeD]+ a [3
On1
H]+) by měly ležet blíže viditelnému světlu, a proto by měly být lépe pozorovatelné.[11] První detekce spektra [4
On1
H]+ byl vyroben D. Tolliverem a dalšími v roce 1979, při vlnových číslech mezi 1700 a 1900 cm−1.[32] V roce 1982 P. Bernath a T. Amano detekovali devět infračervených čar mezi 2164 a 3158 vlnami na cm.[16]
Mezihvězdný prostor
HeH+ se od 70. let již dlouho předpokládá, že existuje v EU mezihvězdné médium.[33] Jeho první detekce v mlhovině NGC 7027, bylo uvedeno v článku publikovaném v časopise Příroda v dubnu 2019.[4]
Přirozený výskyt
Z rozpadu tritia
Ion hydridu hélia se tvoří během rozpadu tritium v molekule HT nebo molekule tritia T2. I když je molekula vzrušena zpětným rázem z rozpadu beta, zůstává molekula vázána k sobě.[34]
Mezihvězdné médium
Předpokládá se, že je to první sloučenina, která se vytvořila ve vesmíru,[2] a má zásadní význam pro pochopení chemie raného vesmíru.[35] Je to proto, že vodík a hélium byly téměř jedinými typy atomů vytvořených v Nukleosyntéza velkého třesku. Hvězdy vytvořené z prvotního materiálu by měly obsahovat HeH+, které by mohly ovlivnit jejich vznik a následný vývoj. Zejména jeho silné dipólový moment dělá to relevantní pro neprůhlednost hvězdy nulové metalicity.[2] HeH+ je také považována za důležitou složku atmosféry bílých trpaslíků bohatých na hélium, kde zvyšuje opacitu plynu a způsobuje pomalejší ochlazování hvězdy.[36]
HeH+ se mohly tvořit v chladicím plynu za disociačními šoky v hustých mezihvězdných mracích, jako jsou šoky způsobené hvězdné větry, supernovy a vyteklý materiál z mladých hvězd. Pokud je rychlost šoku větší než asi 90 kilometrů za sekundu (56 mi / s), může se vytvořit množství dostatečně velké na to, aby bylo možné detekovat. Pokud jsou detekovány, emise z HeH+ by pak byly užitečnými stopami šoku.[37]
Několik míst bylo navrženo jako možná místa HeH+ může být detekován. Patří mezi ně cool heliové hvězdy,[2] H II regiony,[38] a hustý planetární mlhoviny,[38] jako NGC 7027,[35] kde v dubnu 2019 HeH+ bylo údajně zjištěno.[4]
Viz také
Reference
- ^ „hydridohelium (1+) (CHEBI: 33688)“. Chemické entity biologického zájmu (ChEBI). Evropský bioinformatický institut.
- ^ A b C d E Engel, Elodie A .; Doss, Nataša; Harris, Gregory J .; Tennyson, Jonathan (2005). „Vypočtené spektrum pro HeH+ a jeho vliv na neprůhlednost chladných hvězd chudých na kov “. Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 357 (2): 471–477. arXiv:astro-ph / 0411267. Bibcode:2005MNRAS.357..471E. doi:10.1111 / j.1365-2966.2005.08611.x. S2CID 17507960.
- ^ A b „Hydridohelium (CHEBI: 33689)“. Chemické entity biologického zájmu (ChEBI). Evropský bioinformatický institut.
- ^ A b C Güsten, Rolf; Wiesemeyer, Helmut; Neufeld, David; Menten, Karl M .; Graf, Urs U .; Jacobs, Karl; Klein, Bernd; Ricken, Oliver; Risacher, Christophe; Stutzki, Jürgen (duben 2019). „Astrofyzikální detekce iontu hydridu helia HeH+". Příroda. 568 (7752): 357–359. arXiv:1904.09581. Bibcode:2019Natur.568..357G. doi:10.1038 / s41586-019-1090-x. PMID 30996316. S2CID 119548024.
- ^ Andrews, Bill (22. prosince 2019). „Vědci najdou první molekulu vesmíru“. Objevit. Citováno 22. prosince 2019.
- ^ A b C d Hogness, T. R .; Lunn, E. G. (1925). „Ionizace vodíku nárazem elektronu interpretovaná analýzou pozitivního paprsku“. Fyzický přehled. 26 (1): 44–55. Bibcode:1925PhRv ... 26 ... 44H. doi:10.1103 / PhysRev.26.44.
- ^ Coxon, J .; Hajigeorgiou, P. G. (1999). „Experimentální Born – Oppenheimerův potenciál pro X1Σ+ Základní stav HeH+: Srovnání s Ab Initio Potenciál". Journal of Molecular Spectroscopy. 193 (2): 306–318. Bibcode:1999JMoSp.193..306C. doi:10.1006 / jmsp.1998.7740. PMID 9920707.
- ^ Dias, A. M. (1999). „Výpočet dipólového momentu pro malé dvouiatomové molekuly: implementace na dvouelektronovém samo-konzistentním poli ab initio Program" (PDF). Rev da Univ de Alfenas. 5 (1): 77–79.
- ^ Dey, Bijoy Kr .; Deb, B. M. (duben 1999). „Přímý ab initio výpočet elektronových energií a hustot základního stavu pro atomy a molekuly prostřednictvím časově závislé jediné hydrodynamické rovnice“. 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). „Chemie alfa částic. O tvorbě stabilních komplexů mezi He2+ a další jednoduché druhy: důsledky pro atmosférickou a mezihvězdnou chemii “. Journal of Molecular Modeling. 15 (1): 35–40. doi:10.1007 / s00894-008-0371-3. PMID 18936986. S2CID 7163073.
- ^ A b C d Cantwell, Murray (1956). "Molekulární vzrušení v úpadku Beta". Fyzický přehled. 101 (6): 1747–1756. Bibcode:1956PhRv..101.1747C. doi:10.1103 / PhysRev.101.1747..
- ^ A b C d E Wei-Cheng Tung, Michele Pavanello a Ludwik Adamowicz (2012): „Přesné křivky potenciální energie pro HeH+ izotopologové ". Journal of Chemical Physics, svazek 137, číslo 16, strany 164305. doi:10.1063/1.4759077
- ^ Schwartz, H. M. (1955). "Excitace molekul v Beta rozpadu atomu, z něhož se skládá". Journal of Chemical Physics. 23 (2): 400–401. Bibcode:1955JChPh..23R.400S. doi:10.1063/1.1741982.
- ^ Snell, Arthur H .; Pleasonton, Frances; Leming, H. E. (1957). "Molekulární disociace po radioaktivním rozpadu: hydrid tritia". Journal of Anorganic and Nuclear Chemistry. 5 (2): 112–117. doi:10.1016/0022-1902(57)80051-7.
- ^ A b C d Bainbridge, Kenneth T. (1933). „Srovnání mas H2 a hélium “. Fyzický přehled. 44 (1): 57. Bibcode:1933PhRv ... 44 ... 57B. doi:10.1103 / PhysRev.44.57.
- ^ A b Bernath, P .; Amano, T. (1982). "Detekce základního infračerveného pásma HeH+". Dopisy o fyzické kontrole. 48 (1): 20–22. Bibcode:1982PhRvL..48 ... 20B. doi:10.1103 / PhysRevLett.48.20.
- ^ A b Pachucki, Krzysztof; Komasa, Jacek (2012). "Rovibrační hladiny iontu hydridu hélia". The Journal of Chemical Physics. 137 (20): 204314. Bibcode:2012JChPh.137t4314P. doi:10.1063/1.4768169. PMID 23206010.
- ^ Möller, Thomas; Beland, Michael; Zimmerer, Georg (1985). „Pozorování fluorescence HeH molekuly“. Dopisy o fyzické kontrole. 55 (20): 2145–2148. Bibcode:1985PhRvL..55.2145M. doi:10.1103 / PhysRevLett.55.2145. PMID 10032060.
- ^ „Wolfgang Ketterle: Nobelova cena za fyziku 2001“. nobelprize.org.
- ^ Ketterle, W .; Figger, H .; Walther, H. (1985). "Emisní spektra vázaného hydridu helia". Dopisy o fyzické kontrole. 55 (27): 2941–2944. Bibcode:1985PhRvL..55.2941K. doi:10.1103 / PhysRevLett.55.2941. PMID 10032281.
- ^ A b C d E F Grandinetti, Felice (říjen 2004). „Helium chemistry: a survey of the role of the ionic species“. International Journal of Mass Spectrometry. 237 (2–3): 243–267. Bibcode:2004 IJMSp.237..243G. doi:10.1016 / j.ijms.2004.07.012.
- ^ Cacace, Fulvio (1970). Plynné uhlíkové ionty z rozpadu tritiovaných molekul. Pokroky ve fyzikální organické chemii. 8. str. 79–149. doi:10.1016 / S0065-3160 (08) 60321-4. ISBN 9780120335084.
- ^ A b Lias, S. G .; Liebman, J. F .; Levin, R. D. (1984). „Vyhodnocované zásaditosti plynných fází a protonové afinity molekul; rozpory formování protonovaných molekul“. Žurnál fyzikálních a chemických referenčních údajů. 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). „Pozorování mikrovlnného spektra dalekonosného He ⋯H+
2 komplex". Dopisy o chemické fyzice. 260 (3–4): 395–405. Bibcode:1996CPL ... 260..395C. doi:10.1016/0009-2614(96)00860-3. - ^ Pauzat, F .; Ellinger, Y. (2005). „Kde se ve vesmíru schovávají vzácné plyny?“. V Markwick-Kemper, A. J. (ed.). Astrochemie: Nedávné úspěchy a současné výzvy (PDF). Kniha plakátů IAU Symposium č. 231. 231. Bibcode:2005IAUS..231 ..... L. Archivovány od originál (PDF) dne 02.02.2007.
- ^ Beach, J. Y. (1936). „Kvantově-mechanické ošetření molekuly hydridu helia-Ion HeH+". Journal of Chemical Physics. 4 (6): 353–357. Bibcode:1936JChPh ... 4..353B. doi:10.1063/1.1749857.
- ^ Toh, Sôroku (1940). „Kvantově-mechanické zpracování helium-hydridové molekuly Ion HeH+". Sborník Fyzikálně-matematické společnosti v Japonsku. 3. série. 22 (2): 119–126. doi:10.11429 / ppmsj1919.22.2_119.
- ^ Evett, Arthur A. (1956). „Základní stav iontu helium-hydridu“. Journal of Chemical Physics. 24 (1): 150–152. Bibcode:1956JChPh..24..150E. doi:10.1063/1.1700818.
- ^ Cacace, Fulvio (1990). "Techniky jaderného rozpadu v chemii iontů". Věda. 250 (4979): 392–399. Bibcode:1990Sci ... 250..392C. doi:10.1126 / science.250.4979.392. PMID 17793014. S2CID 22603080.
- ^ Speranza, Maurizio (1993). "Tritium pro generování karbokationtů". Chemické recenze. 93 (8): 2933–2980. doi:10.1021 / cr00024a010.
- ^ Lubimov, V.A .; Novikov, E.G .; Nozik, V.Z .; Treťjakov, E.F .; Kosik, V.S. (1980). „Odhad νE hmota z β-spektra tritia v molekule valinu “. Fyzikální písmena B. 94 (2): 266–268. Bibcode:1980PhLB ... 94..266L. doi:10.1016/0370-2693(80)90873-4..
- ^ David E. Tolliver, George A. Kyrala a William H. Wing (1979): „Pozorování infračerveného spektra helium-hydridového molekulárního iontu [4
HeH]+". Dopisy o fyzické kontrole, svazek 43, číslo 23, strany 1719-1722. doi:10.1103 / PhysRevLett.43.1719 - ^ Fernández, J .; Martín, F. (2007). „Fotoionizace HeH+ molekulární ion ". Journal of Physics B. 40 (12): 2471–2480. Bibcode:2007JPhB ... 40.2471F. doi:10.1088/0953-4075/40/12/020.
- ^ Mannone, F., ed. (1993). Bezpečnost v technologii manipulace s tritiem. Springer. str. 92. doi:10.1007/978-94-011-1910-8_4. ISBN 978-94-011-1910-8.
- ^ A b Liu, 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 .; Clegg, P. E. (1997). „Detekce CH spektrometru ISO s dlouhou vlnovou délkou v NGC 7027 a HeH+ horní limit". Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti. 290 (4): L71 – L75. Bibcode:1997MNRAS.290L..71L. doi:10.1093 / mnras / 290.4.l71.
- ^ Harris, G. J .; Lynas-Gray, A.E .; Miller, S .; Tennyson, J. (2004). „Role HeH+ v chladných bílých trpaslících bohatých na hélium “. Astrofyzikální deník. 617 (2): L143 – L146. arXiv:astro-ph / 0411331. Bibcode:2004ApJ ... 617L.143H. doi:10.1086/427391. S2CID 18993175.
- ^ Neufeld, David A .; Dalgarno, A. (1989). „Rychlé molekulární šoky. I - Reformace molekul za disociačním šokem.“ Astrofyzikální deník. 340: 869–893. Bibcode:1989ApJ ... 340..869N. doi:10.1086/167441.
- ^ A b Roberge, W .; Delgarno, A. (1982). „Vznik a zničení HeH+ v astrofyzikálních plazmech “. Astrofyzikální deník. 255: 489–496. Bibcode:1982ApJ ... 255..489R. doi:10.1086/159849.