Іон гідриду гелію або іон 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.

Уперше іон 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, і нарешті його було виявлено у квітні 2019 року за допомогою бортового телескопа SOFIA.

Фізичні властивості Іон водневого гелію є ізоелектронним з молекулярним воднем ().

На відміну від диводневого іона , іон гідриду гелію має постійний дипольний момент, що полегшує його спектроскопічну характеристизацію. Розрахований дипольний момент HeH+ дорівнює 2,26 або 2,84 D. Електронна густина в іоні вища навколо ядра гелію, ніж водню, 80% заряду електрона ближчі до ядра гелію.

Спектроскопічне виявлення утруднене, оскільки одна з його найпомітніших спектральних ліній, 149,14 мкм, збігається з близнюком спектральних ліній, що належать метилідиновому радикалу ⫶CH.

Довжина ковалентного зв'язку в іоні 0,772 Å.

Ізотопологи 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.

[^3He^1H]+або [^3HeH]+(A = 4, N = 1)  [^3He^2H]+або [^3HeD]+(A = 5, N = 2)  [^3He^3H]+або [^3HeT]+(A = 6, N = 3; радіоактивний)  [^4He^1H]+або [^4HeH]+(A = 5, N = 2)  [^4He^2H]+або [^4HeD]+(A = 6, N = 3)  [^4He^3H]+або [^4HeT]+ (A = 7, N = 4; радіоактивний) 

Усі вони мають три протони і два електрони. Перші три утворюються в результаті радіоактивного розпаду тритію в молекулах HT = ^1H^3H , DT = ^2H^3H, і T2 = ^3H2 відповідно. Останні три можна отримати шляхом іонізації відповідного ізотополога в присутності гелію-4.

Наступні ізотопологи іона гелію гідриду, іона диводню H_{+2} і триводневого іона H_{+3} мають однакове загальне атомне масове число A:

[^3HeH]+, [D2]+, [TH]+, [DH2]+(A = 4) [^3HeD]+, [^4HeH]+, [DT]+, [TH2]+, [D2H]+(A = 5) [^3HeT]+, [^4HeD]+, [T2]+, [TDH]+, [D3]+(A = 6) [^4HeT]+, [TD2]+, [T2H]+(A = 7)

Проте маси в кожному рядку вище не рівні, оскільки енергії зв’язку в ядрах різні.

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.

Нейтральна молекула є першим записом у базі даних Gmelin.

Хімічні властивості та реакції

Приготування 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.

Кислотність 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+, , , H3O+ і відповідно. 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.

Фактично, HeH+ є найсильнішою відомою кислотою з протонною спорідненістю 177,8 кДж/моль. Гіпотетичну кислотність водної рідини можна оцінити за допомогою закону Гесса: HeH+(газ)→H+(газ) + He(газ) +178 kJ/mol HeH+(рід)→HeH+(газ) +973 kJ/mol  (a)H+(газ)→H+(рід)−1530 kJ/molHe(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.

Інші іони гелію-водню До HeH+ можуть приєднуватися додаткові атоми гелію, утворюючи великі кластери, такі як He2H+, He3H+, He4H+, He5H+ і He6H+.

Катіон гідриду дигелію, He2H+, утворюється в результаті реакції катіона дигелію з молекулярним воднем:

+ H2 → He2H+ + H

Це лінійний іон з воднем у центрі.

Іон гідриду гексагелію He6H+ є особливо стабільним.

Інші іони гідриду гелію відомі або вивчені теоретично. Дигідрид-іон гелію, або дигідридогелій(1+), , спостерігали за допомогою мікрохвильової спектроскопії. Він має розраховану енергію зв’язку 25,1 кДж/моль, тоді як тригідридогелій(1+), , має розраховану енергію зв'язку 0,42 кДж/моль.

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 , і . Вони помітили, що з'явився при тій же енергії пучка (16 еВ), що й , і його концентрація збільшувалася з тиском набагато більше, ніж у двох інших іонів. Із цих даних вони зробили висновок, що іони переносили протон молекулам, з якими вони зіткнулися, включаючи гелій.

У 1933 р. К. Бейнбридж використав мас-спектрометрію для порівняння мас іонів [^4He^1H]+(іон гідриду гелію) і [^2H2 ^1H]+(двічі дейтерований триводневий іон) для отримання точного вимірювання атомної маси дейтерію відносно атомної маси гелію. Обидва іони мають 3 протони, 2 нейтрони і 2 електрони. Він також порівняв [^4He^2H]+(іон дейтериду гелію) з [^2H3]+ (іон тридейтерію), обидва з 3 протонами і 3 нейтронами.

Ранні теоретичні дослідження Перша спроба обчислити структуру іона HeH+ (зокрема, [^4He^1H]+) за квантово-механічною теорією була зроблена Дж. Бічем у 1936 р. Покращені обчислення спорадично публікувалися впродовж наступних десятиліть.

Методи розпаду тритію в хімії Г. Шварц спостерігав у 1955 р., що розпад молекули тритію T2 = ^3H2 повинен із високою ймовірністю генерувати іон гідриду гелію [^3HeT]+.

У 1963 р. Ф. Какаче з Римського університету ла Сап'єнца розробив техніку розпаду для отримання й вивчення органічних радикалів та іонів карбенію. У варіанті цієї техніки екзотичні види, такі як катіон метонію, отримують шляхом взаємодії органічних сполук з [^3HeT]+, що утворюється при розпаді T2, який змішують з потрібними реагентами. Більшість знань про хімію [HeH]+були отримані через цю техніку.

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. Твердження було оскаржене, і кілька інших груп вирішили перевірити його, вивчаючи розпад молекулярного тритію . Було відомо, що частина енергії, що виділяється при цьому розпаді, буде спрямована на збудження продуктів розпаду, в т.ч. [^3HeT]+; і це явище може бути значним джерелом помилки в цьому експерименті. Це спостереження спонукало до численних зусиль для точного обчислення очікуваних енергетичних станів цього іона, 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 [^4He^2H]+, [^3He^1H]+ і [^3He^2H]+.

Спектральні передбачення та виявлення У 1956 р. М. Кантвелл теоретично передбачив, що спектр коливань цього іона має бути спостережуваним в інфрачервоному діапазоні й спектри дейтерію та звичайних ізотопологів водню ([^3HeD]+ і  [^3He^1H]+) мають лежати ближче до видимого світла, а тому їх легше спостерігати. Вперше спектр виявили Д. Толлівер та інші 1979 року при хвильових числах між 1700 і 1900 см −1. 1982 року П. Бернат і Т. Амано виявили дев'ять інфрачервоних ліній між 2164 і 3158 хвилями на см.

Міжзоряний простір З 1970-х років вже вважалося, що HeH+ існує в міжзоряному середовищі. Його перше виявлення в туманності NGC 7027 повідомляється в статті, опублікованій у журналі Nature у квітні 2019 року.

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.

Міжзоряне середовище Уважається, що це перша сполука, яка утворилася у Всесвіті і вона має фундаментальне значення для розуміння хімії раннього Всесвіту. Це пов’язано з тим, що водень і гелій були майже єдиними типами атомів, утворених під час нуклеосинтезу Великого вибуху. Зорі, 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 зір із нульовою металічністю. Також вважається, що HeH+ є важливою складовою атмосфери багатих гелієм білих карликів, де він збільшує непрозорість газу і змушує зорю охолоджуватися повільніше.

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 зір. Якщо швидкість поштовху перевищує приблизно , можуть утворюватися достатньо великі для виявлення його кількості. При виявленні викиди HeH+ будуть корисними індикаторами удару.

Було запропоновано кілька можливих місць де HeH+ може бути виявлений. Сюди входять холодні гелієві зірки, зони H II та щільні планетарні туманності, як NGC 7027, де у квітні 2019 року, як повідомлялося, було виявлено HeH+.

Посилання