Helium-hydridový kationt

Helium-hydridový kationt nebo ion hydridohelia (1+) nebo helonium je kation ( kladně nabitý iont ) s chemickým vzorcem HeH+. Je složen z atomu helia navázaného na atom vodíku s jedním chybějícím elektronem. Lze jej také považovat za protonované hélium. Je to nejlehčí heteronukleární ion a je považován za první sloučeninu ve vesmíru, vzniklou po Velkém třesku.

Ion byl poprvé připraven v laboratoři roku 1925. Izolovaný je stabilní, ale extrémní reaktivita brání v hromadné přípravě, protože by reagoval s jakoukoli jinou molekulou, se kterou přišel do styku. +more Je znám jako nejsilnější známá kyselina. Od 70. let se přepokládal jeho výskyt v mezihvězdném prostředí, jenž byl nakonec detekován v dubnu 2019 pomocí dalekohledu SOFIA.

Fyzikální vlastnosti

Helium-hydridový kationt je izoelektronický s molekulárním vodíkem (H2).

Na rozdíl od dihydrogenového iontu H2+ má helium-hydridový kationt stálý dipólový moment, což usnadňuje jeho spektroskopickou charakterizaci. Vypočítaný dipólový moment HeH + je 2,26 nebo 2,84 D. +more Hustota elektronů v iontu je vyšší kolem jádra helia než jádra vodíku, 80% elektronového náboje je blíže jádru helia než jádru vodíku.

Spektroskopická detekce je limitována, neboť jedna z jeho nejvýznamnějších spektrálních linií na 149,14 μm se shoduje s dubletem spektrálních čar patřících k methylidynovému radikálu ⫶CH.

Délka kovalentní vazby v iontu je 0,772 Å .

Izotopologie

Ion hydridu hélia má šest poměrně stabilních izotopologů, které se liší izotopy dvou prvků, tudíž i celkovým počtem atomových hmot (A) a celkovým počtem neutronů (N) ve dvou jádrech.

Všechny izotopology mají tři protony a dva elektrony. První tři jsou generovány radioaktivním rozpadem tritia v molekulách HT = ^1H^3H, DT = ^2H^3H a T2 = ^3H2. +more Poslední tři lze generovat ionizací příslušného izotopologu H2 za přítomnosti helia-4.

izotopology helium-hydridového kationtiontu , dihydrogenového iontu H2+ a trihydrogenového iontu H3+ mají stejné celkové číslo atomové hmotnosti A.

Neutralita molekuly

Na rozdíl od kationtu helium-hydridu není základní molekula helium-hydridu HeH běžně stabilní, lze ji zachytit v excitovaném stavu jako excimer (HeH*), jehož spektrum bylo poprvé pozorováno v polovině 80. let 19. +more stol.

Neutrální molekula je první položka v databázi Gmelin.

Chemické vlastnosti a reakce

Příprava

Vzhledem k tomu, že HeH+ nelze skladovat v absolutně žádné nádobě - je třeba studovat jeho chemismus in situ .

Kupříkladu reakce s organickými látkami lze studovat vytvořením tritiového derivátu požadované organické sloučeniny. Rozpad tritia na 3He+, následovaný extrakcí atomu vodíku, poskytne 3HeH+, který je v přítomnosti organického materiálu schopen další reakce.

Kyselost

HeH+ nelze připravit v kondenzované fázi, protože by předal proton čemukoli, s čím by přišel do styku, ať už aniontu, molekule nebo atomu. Tento jev byl prokázán u O2, NH3, SO2, H2O a CO2, vznikly produkty O2H+, NH4+, HSO2+, H3O+ a HCO2+. +more Další molekuly - oxid dusnatý, oxid dusičitý, oxid dusný, sirovodík, methan, acetylen, ethylen, etan, methanol a acetonitril taktéž zreagovaly, ale rozpadaly se kvůli velkému množství zadržované energie.

HeH + je skutečně nejsilnější známou kyselinou s protonovou afinitou 177,8 kJ / mol. Hypotetickou aciditu ve vodném roztoku lze odhadnout pomocí Hessova zákona.

Uvolněná volná energie při disociaci je −360 kJ / mol při pKa −63 a 298 K.

Jiné ionty helia a vodíku

Další atomy helia se mohou napojit na HeH + za vzniku velkých shluků atomů - např. He2H+, He3H+, He4H+, He5H+ a He6H+.

Dihelium-hydridový kationt - He2H+ vzniká reakcí diheliového kationtu s molekulárním vodíkem:

: He2+ + H2 → He2H+ + H

Je to lineární iont s vodíkem uprostřed molekuly.

Hexahelium-hydridový kationt - He6H+, je z nich obzvláště stabilní.

Jsou známy i jiné ionty helia a vodíku, nebo byly alespoň teoreticky studovány. Helium-dihydridový kationt neboli dihydridohelium (1+) - HeH2+ byl pozorován pomocí mikrovlnné spektroskopie. +more Jeho vypočítaná vazebná energie je 25,1 kJ / mol, zatímco trihydridohelium (1+) - HeH3+ má vazebnou energii 0,42 kJ / mol.

Historie

Objev v ionizačních experimentech

Hydridohelium (1+), konkrétně [4He1H+], byla poprvé detekován nepřímo v roce 1925 vědci T. R. +more Hognessem a E. G. Lunnem. Odstřelováním protonů o známé energii do obohacené směsi vodíku a helia umožňovali studovat tvorbu vodíkových iontů jako H+ , H2+ a H3+ . Pozorováním zjistili, že H3+ se objevil při stejné energii paprsku (16 eV ) jako H2+ a jeho koncentrace rostla s tlakem mnohem více než u ostatních dvou iontů. Z těchto údajů dospěli k závěru, že ionty H2+ přenášely protony na molekuly s nimi jdoucími do srážky, včetně helia.

V roce 1933 použil K. Bainbridge hmotnostní spektrometrii k porovnání hmotností iontů [4He1H]+ (helium-hydridový kationt) a [+H21H]+ (dvakrát deuterovaný trihydrogenový iont) za účelem získání přesného měření atomové hmotnosti deuteria vzhledem k hmotnosti helia. +more Oba ionty mají 3 protony, 2 neutrony a 2 elektrony. Rovněž srovnával [4He2H]+ (helium-deuteriový kationt) s [2H3]+ (trideuteriový kationt), oba se 3 protony a 3 neutrony.

Brzké teoretické studie

První pokus o výpočet struktury HeH+ (konkrétně [4He1H]+) pomocí kvantové mechanické teorie vytvořil J. Beach v roce 1936. +more Vylepšené výpočty byly sporadiky publikovány v průběhu dalších desetiletí.

Metody rozpadu tritia v chemii

H. Schwartz roku 1955 vypozoroval, že rozpad molekuly tritia T2 = 3H2 by měl vytvořit helium-tritiový kationt [3HeT]+ s vysokou pravděpodobností.

V roce 1963 F. Cacace z římské univerzity v Sapienze popsal techniku rozpadu pro přípravu a studium organických radikálů a karbeniových iontů. +more Jedna z variant této techniky umožňuje vznik nevšedních jednotek jako kationt methanu, kdy reagují požadované reaktanty organických sloučenin s [3HeT]+, vzniklým rozpadem T2. Mnoho z toho, co víme o chemickým vlastnostech [HeH]+, vzešlo z této techniky.

Mezihvězdný prostor

Od 70. let operujeme s domněnkou, že se HeH + vyskytuje v mezihvězdném prostoru . +more První úspěšná detekce v mlhovině NGC 7027 byla uvedena v článku publikovaném v časopise Nature v dubnu 2019.

Přirozený výskyt

Z rozpadu tritia

Hélium hydrid iontů vzniká při rozpadu tritia v molekule HT nebo tritiem molekuly T2. I když je molekula vzrušena zpětným rázem z rozpadu beta, zůstává molekula vázána k sobě.

Mezihvězdný prostor

Předpokládá se, že je první sloučeninou, která se vytvořila ve vesmíru a má zásadní význam pro pochopení chemie raného vesmíru. Je tomu tak proto, že vodík a hélium byly téměř jedinými typy atomů vytvořených v nukleosyntéze velkého třesku. +more Hvězdy vytvořené z prvotního materiálu by měly obsahovat HeH +, což by mohlo ovlivnit jejich vznik a následný vývoj. Zejména díky silnému dipólovému momentu je relevantní pro opacitu hvězd s nulovou metalicitou. HeH + je také považován za důležitou složku atmosféry bílých trpaslíků bohatých na hélium, kde zvyšuje neprůhlednost plynu a způsobuje pomalejší ochlazování hvězdy.

HeH+ by též mohl vznikat v chladicím plynu během disociačních nárazů v hustých mezihvězdných mracích, jakožto nárazy způsobené hvězdnými větry, supernovovami a materiálem emitovaným z mladých hvězd. Pokud je rychlost nárazu vyšší než přibližně 90 kilometrů za sekundu (56 mílí za sekundu), bude vzniké množství dostatečné na to, aby bylo detekováno. +more Pokud by došlo k detekci, emise z HeH + by pak byly užitečnými stopami nárazu.

Bylo navrženo několik míst pro pravděpodobnou detekci HeH+. Šlo o chladné heliové hvězdy oblasti H II, a husté planetární mlhoviny, jako je NGC 7027, kde v dubnu 2019 byla detekce HeH+ údajně úspěšná.

Odkazy

Reference

Literatura

 "hydridohelium(1+) (CHEBI:33688)". Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). +more European Bioinformatics Institute. * Engel, 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. S2CID 17507960. * "Hydridohelium (CHEBI:33689)". Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). European Bioinformatics Institute. * Güsten, Rolf; Wiesemeyer, Helmut; Neufeld, David; Menten, Karl M. ; Graf, Urs U. ; Jacobs, Karl; Klein, Bernd; Ricken, Oliver; Risacher, Christophe; Stutzki, Jürgen (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. PMID 30996316. S2CID 119548024. * Andrews, Bill (22 December 2019). "Scientists Find the Universe's First Molecule". Discover. Retrieved 22 December 2019. * Hogness, T. R. ; Lunn, E. G. (1925). "The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis". Physical Review. 26 (1): 44-55. Bibcode:1925PhRv. 26. 44H. doi:10. 1103/PhysRev. 26. 44. * 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. PMID 9920707. * Dias, A. M. (1999). "Dipole Moment Calculation to Small Diatomic Molecules: Implementation on a Two-Electron Self-Consistent-Field ab initio Program" (PDF). Rev da Univ de Alfenas. 5 (1): 77-79. * 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. PMID 18936986. S2CID 7163073.

Externí odkazy

Kategorie:Sloučeniny vodíku Kategorie:Kationty Kategorie:Kyseliny Kategorie:Helium Kategorie:Vesmír