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.

Helium-hydridový kationt
Obecné
Sumární vzorec	HeH+
Vlastnosti
Molární hmotnost	5.01054 g·mol−1
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa). Některá data mohou pocházet z datové položky.

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. 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 ${\ce {H2+}}$ má helium-hydridový kationt stálý dipólový moment, což usnadňuje jeho spektroskopickou charakterizaci. Vypočítaný dipólový moment HeH ⁺ je 2,26 nebo 2,84 D. 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 = ${\ce {^1H^3H}}$, DT = ${\ce {^2H^3H}}$ a T₂ = ${\ce {^3H2}}$. Poslední tři lze generovat ionizací příslušného izotopologu H₂ za přítomnosti helia-4.

izotopology helium-hydridového kationtiontu , dihydrogenového iontu ${\ce {H2+}}$ a trihydrogenového iontu ${\ce {H3+}}$ 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. 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⁺. 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 pK_a −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. 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. 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. 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. 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. 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 . 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 T_2. 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. 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. 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

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Helium hydride ion na anglické Wikipedii.

Literatura

•  "hydridohelium(1+) (CHEBI:33688)". Chemical Entities of Biological Interest (ChEBI). 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.
• Cantwell, Murray (1956). "Molecular Excitation in Beta Decay". Physical Review. 101 (6): 1747–1756. Bibcode:1956PhRv..101.1747C. doi:10.1103/PhysRev.101.1747..
• Wei-Cheng Tung, Michele Pavanello, and Ludwik Adamowicz (2012): "Accurate potential energy curves for HeH+ isotopologues ". Journal of Chemical Physics, volume 137, issue 16, pages 164305. doi:10.1063/1.4759077
• Schwartz, H. M. (1955). "Excitation of Molecules in the Beta Decay of a Constituent Atom". 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). "Molecular dissociation following radioactive decay: Tritium hydride". Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 5 (2): 112–117. doi:10.1016/0022-1902(57)80051-7.
• Bainbridge, Kenneth T. (1933). "Comparison of the Masses of H2 and Helium". Physical Review. 44 (1): 57. Bibcode:1933PhRv...44...57B. doi:10.1103/PhysRev.44.57.
• Bernath, P.; Amano, T. (1982). "Detection of the Infrared Fundamental Band of HeH+". Physical Review Letters. 48 (1): 20–22. Bibcode:1982PhRvL..48...20B. doi:10.1103/PhysRevLett.48.20.
• Pachucki, Krzysztof; Komasa, Jacek (2012). "Rovibrational levels of helium hydride ion". 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). "Observation of Fluorescence of the HeH Molecule". Physical Review Letters. 55 (20): 2145–2148. Bibcode:1985PhRvL..55.2145M. doi:10.1103/PhysRevLett.55.2145. PMID 10032060.
• "Wolfgang Ketterle: The Nobel Prize in Physics 2001". nobelprize.org.
• Ketterle, W.; Figger, H.; Walther, H. (1985). "Emission spectra of bound helium hydride". Physical Review Letters. 55 (27): 2941–2944. Bibcode:1985PhRvL..55.2941K. doi:10.1103/PhysRevLett.55.2941. PMID 10032281.
• Grandinetti, Felice (October 2004). "Helium chemistry: a survey of the role of the ionic species". International Journal of Mass Spectrometry. 237 (2–3): 243–267. Bibcode:2004IJMSp.237..243G. doi:10.1016/j.ijms.2004.07.012.
• Cacace, Fulvio (1970). Gaseous Carbonium Ions from the Decay of Tritiated Molecules. Advances in Physical Organic Chemistry. 8. pp. 79–149. doi:10.1016/S0065-3160(08)60321-4. ISBN 9780120335084.
• 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.
• Pauzat, F.; Ellinger, Y. (2005). "Where do noble gases hide in space?". In Markwick-Kemper, A. J. (ed.). Astrochemistry: Recent Successes and Current Challenges (PDF). Poster Book IAU Symposium No. 231. 231. Bibcode:2005IAUS..231.....L. Archived from the original (PDF) on 2007-02-02.
• Beach, J. Y. (1936). "Quantum‐Mechanical Treatment of Helium Hydride Molecule‐Ion HeH+". Journal of Chemical Physics. 4 (6): 353–357. Bibcode:1936JChPh...4..353B. doi:10.1063/1.1749857.
• 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.
• Evett, Arthur A. (1956). "Ground State of the Helium‐Hydride Ion". Journal of Chemical Physics. 24 (1): 150–152. Bibcode:1956JChPh..24..150E. doi:10.1063/1.1700818.
• Cacace, Fulvio (1990). "Nuclear Decay Techniques in Ion Chemistry". Science. 250 (4979): 392–399. Bibcode:1990Sci...250..392C. doi:10.1126/science.250.4979.392. PMID 17793014. S2CID 22603080.
• 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..
• David E. Tolliver, George A. Kyrala, and William H. Wing (1979): "Observation of the Infrared Spectrum of the Helium-Hydride Molecular Ion [4 HeH]+". Physical Review Letters, volume 43, issue 23, pages 1719-1722. doi:10.1103/PhysRevLett.43.1719
• Fernández, J.; Martín, F. (2007). "Photoionization of the HeH+ molecular 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). Safety in Tritium Handling Technology. Springer. p. 92. doi:10.1007/978-94-011-1910-8_4. ISBN 978-94-011-1910-8.
• 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). "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.
• Harris, G. J.; Lynas-Gray, A. E.; Miller, S.; Tennyson, J. (2004). "The Role of HeH+ in Cool Helium-rich White Dwarfs". The Astrophysical Journal. 617 (2): L143–L146. arXiv:astro-ph/0411331. Bibcode:2004ApJ...617L.143H. doi:10.1086/427391. S2CID 18993175.
• Neufeld, David A.; Dalgarno, A. (1989). "Fast molecular shocks. I – Reformation of molecules behind a dissociative shock". The Astrophysical Journal. 340: 869–893. Bibcode:1989ApJ...340..869N. doi:10.1086/167441.
• Roberge, W.; Delgarno, A. (1982). "The formation and destruction of HeH+ in astrophysical plasmas". The Astrophysical Journal. 255: 489–496. Bibcode:1982ApJ...255..489R. doi:10.1086/159849.

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Helium-hydridový kationt na Wikimedia Commons

Portály: Chemie