Ион гидрида гелия

Ион гидрида гелия
Общие
Хим. формула	HeH+
Классификация
SMILES	[HeH+]
InChI	InChI=1S/HHe/h1H/q+1 HSFAAVLNFOAYQX-UHFFFAOYSA-N
ChEBI	33688
ChemSpider	21106447
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

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, H₂⁺.

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^[1], и было окончательно подтверждено в 2019 году^[2].

Физические свойства

Гидридогелий(1+) является изоэлектронным с молекулярным водородом^[3]. В отличие от H₂⁺, он имеет постоянный дипольный момент, что облегчает его спектроскопическую характеристику.^[4] Расчетный дипольный момент HeH⁺ составляет 2,26 или 2,84 D^[5] Тем не менее, одна из его наиболее заметных спектральных линий, в 149,14 мкм, совпадает с дублетом спектральных линий, принадлежащих радикалу метилидина ⫶CH.^[6]

Длина ковалентной связи в ионе составляет 0,772 Å.^[7]

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.^[8][9][10]

Нейтральная молекула является первой записью в базе данных Gmelin.^[11]

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 ³Не⁺ с последующим его выделением атома водорода дает ³НеН⁺, который затем окружается органическим материалом и, в свою очередь, вступает в реакцию.^[12]

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 O₂, NH₃, SO₂, H₂O и CO₂, давая O₂H⁺, NH₄⁺, HSO₂⁺, H₃O⁺ и HCO₂^+[12]. 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.^[12]

На самом деле, HeH⁺ является самой сильной из известных кислот с сродством к протону 177,8 кДж/моль^[13]. Гипотетическая кислотность воды может быть оценена с использованием закона Гесса:

HeH+(g)	→	H+(g)	+ He(g)	+178 kJ/mol	[13]
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 pK_a −63.

Другие ионы гелия-водорода

Дополнительные атомы гелия могут присоединяться к HeH ⁺ с образованием более крупных кластеров, таких как He₂H⁺, He₃H⁺, He₄H⁺, He₅H⁺ и He₆H^+[12].

Катион гидрида дигелия, He₂H⁺, образуется в результате реакции катиона дигелия с молекулярным водородом:

He₂⁺ + H₂ → He₂H⁺ + H

Это линейный ион с водородом в центре^[12].

Ион гексагелий гидрида, He₆H⁺, является особенно стабильным^[12].

Другие ионы гидрида гелия известны или были изучены теоретически. Ион дигидрида гелия или дигидридогелий(1+) НеH₂⁺, наблюдался с помощью микроволновой спектроскопии^[14]. Он имеет расчетную энергию связи 25,1 кДж/моль, в то время как тригидридогелий(1+), НеH₃⁺, имеет расчётную энергию связи 0,42 кДж/моль^[15].

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⁺, H₂⁺ и H₃⁺. Они заметили, что H₃⁺ появился при той же энергии пучка (16 эВ), что и H₂⁺, и его концентрация увеличивается с давлением гораздо больше, чем у двух других ионов. Из этих данных они пришли к выводу, что ионы H₂⁺ передавали протон молекулам, с которыми они сталкивались, включая гелий^[16].

Уже давно предполагается, что HeH⁺ существует в межзвездной среде^[1]. О его первом обнаружении в туманности NGC 7027 было сообщено в статье, опубликованной в журнале Nature в апреле 2019 года^[2].

Нахождение в природе

От распада трития

Ион гидрида гелия образуется при распаде трития в молекуле HT или в молекуле трития T₂. Хотя она возбуждается отдачей от бета-распада, молекула остается связанной вместе^[17].

Межзвездная среда

Считается, что это первое соединение, которое сформировалось во вселенной^[6], и имеет фундаментальное значение для понимания химии ранней вселенной^[18]. 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^[6]. Также считается, что HeH⁺ является важной составляющей атмосферы богатых гелием белых карликов, где он увеличивает непрозрачность газа и заставляет звезду медленнее охлаждаться^[19].

В качестве возможных мест, где может быть обнаружен HeH⁺, было предложено несколько мест. К ним относятся холодные гелиевые звёзды^[6], H II^[20], и плотные планетарные туманности^[20] такие как NGC 7027^[18].

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^[21].

Примечания

• CRC Handbook of Chemistry and Physics  (англ.) (рус. (англ.). — CRC Press.

Ссылки

• Hydridohelium(1+) (CHEBI:33688)  (неопр.). Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). European Bioinformatics Institute.