헬륨 하이드라이드 이온

Helium hydride ion
헬륨 하이드라이드 이온
Spacefill model of the helium hydride ion
Ball and stick model of the helium hydride ion
이름
체계적 IUPAC 이름
히드리도헬리움(1+)[1]
기타 이름
헬로늄
하이드라이드 헬륨
식별자
3D 모델(JSmol)
체비
켐스파이더
2
특성.
헤헤+
어금질량 5.01054 g·migration−1
콘게이트 베이스 헬륨
달리 명시된 경우를 제외하고, 표준 상태(25°C [77°F], 100 kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공된다.
Infobox 참조 자료

헬륨 하이드라이드 이온 또는 하이드리델리움(1+) 이온 또는 헬로늄은 화학식 HeH를+ 포함한 양이온(전하 이온)이다. 수소 원자에 접합된 헬륨 원자로 구성되며, 전자 1개가 제거된다. 양성자 헬륨으로도 볼 수 있다. 이 화합물은 가장 가벼운 이핵 이온으로, 빅뱅 이후 우주에서 형성된 최초의 화합물로 추정된다.[2]

이온은 1925년 실험실에서 처음 생산되었다. 그것은 고립된 상태에서는 안정적이지만 극도로 반응하며, 그것이 접촉한 다른 분자와 반응하기 때문에 대량으로 준비될 수 없다. 가장 강력한 알려진 산으로 알려진, 성간 매질에서의 발생은 1970년대부터 추측되어 왔으며,[3] 마침내 공중에 떠 있는 소피아 망원경을 사용하여 2019년 4월에 검출되었다.[4][5]

물리적 성질

헬륨 수소 이온은 분자 수소(H
2)를 가진 등전자식이다.[6]

이수소 이온 H와+
2 달리 헬륨 하이드라이드 이온은 영구 쌍극자 모멘트를 갖고 있어 분광학적 특성화가 용이하다.[7] HeH의+ 계산된 쌍극자 모멘트는 2.26 D 또는 2.84 D이다.[8] 이온의 전자 밀도는 수소보다 헬륨 핵 주위로 높다. 전자 전하의 80%는 수소 핵보다 헬륨 핵에 가깝다.[9]

분광 검출은 149.14 μm의 가장 두드러진 스펙트럼 라인 중 하나가 메틸리딘 급진 radicalCH에 속하는 스펙트럼 라인의 2중과 일치하기 때문에 방해를 받는다.[2]

이온의 공밸런트 결합 길이는 0.772 2이다.[10]

동위원소

헬륨 하이드라이드 이온은 6개의 비교적 안정된 동위원소를 가지며, 이는 두 원소의 동위원소가 다르며, 따라서 두 핵의 총 원자질량수(A)와 중성자수(N)에서 차이가 난다.

  • [3He1H

    ]+     또는 [3HeH
    ](+    A = 4, N = 1)
  • [3He2H

    ]+     또는 [3HeD
    ](+    A = 5, N = 2)
  • [3He3H

    ]+     또는 [3HeT
    ]+     (A = 6, N = 3; 방사능)
  • [4He1H

    ]+     또는 [4HeH
    ](+    A = 5, N = 2)
  • [4He2H

    ]+     또는 [4HeD
    ](+    A = 6, N = 3)
  • [4He3H

    ]+     또는 [4HeT
    ]+     (A = 7, N = 4, 방사능)

그들은 모두 3개의 양성자와 2개의 전자를 가지고 있다. 첫 번째 세 가지는 분자 HT = 1H3H

, DT = 2H3H

, T2
 = 3H2에서

삼중수소의 방사성 붕괴에 의해 각각 생성된다. 마지막 3개는 헬륨-4가 존재하는 상태에서 H2의
적절한 동위원소를 이온화하여 생성할 수 있다.[6]

헬륨 하이드라이드 이온, 이수소 이온 H+
2 및 3수소 이온 H+
3의 다음과 같은 동위원소들은 동일한 총 원자 질량 번호 A를 갖는다.

  • [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)

그러나 위의 각 행의 질량은 핵의 결합 에너지가 다르기 때문에 같지 않다.[15]

중성분자

헬륨 하이드라이드 이온과 달리 중성 헬륨 하이드라이드 분자 HeH는 지상에서 안정적이지 않다. 단, 흥분된 상태로 존재하며(HeH*) 스펙트럼은 1980년대 중반에 처음 관측되었다.[18][19][20]

중립 분자는 Gmelin 데이터베이스의 첫 번째 입력이다.[3]

화학적 특성 및 반응

준비

HeH는+ 어떤 사용 가능한 형태로도 저장할 수 없으므로, 그 화학성분은 반드시 현장에서 형성하여 연구해야 한다.

예를 들어, 유기 물질과의 반응은 원하는 유기 화합물의 삼중수소 파생물을 만들어 연구할 수 있다. 수소+ 원자 추출에 따른 삼중수소의 붕괴는 유기 물질에 둘러싸인 HeH를+ 생성하며 차례로 반응하게 된다.[21][22]

산도

HEH는+ 그것이 접촉한 음이온, 분자 또는 원자에 양성자를 기증할 것이기 때문에 응축된 단계에서는 준비될 수 없다. OH2, NH3, SO2, HO2, CO를2 양성하여 OH2+, NH+
4, HSO+
2, HO3+, HCO를+
2 각각 부여하는 것으로 나타났다.[21] 산화질소, 이산화질소, 아산화질소, 황화수소, 메탄, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄, 메탄올, 아세토나이트릴과 같은 다른 분자는 반응하지만 생성되는 에너지의 양이 많아 분해된다.[21]

실제로 HeH는+ 양성자 친화력이 177.8 kJ/mol로 알려진 산 중 가장 강한 것으로 알려져 있다.[23] 가상의 수용산성은 헤스의 법칙을 사용하여 추정할 수 있다.

HH+(g) → H+(g) + He(g) +178 kJ/mol [23]
헤헤+(aq) → HH+(g) +973 kJ/mol (a)
H+(g) → H+(aq) −1530 kJ/mol
헤(g) → 헤(aq) +19 kJ/mol (b)
헤헤+(aq) → H+(aq) + 헤(aq) −360 kJ/mol

(a) Li+(aq) → Li+(g)와 동일한 것으로 추정한다.
(b) 용해도 데이터로 추정한다.

자유 에너지 변화 -360 kJ/mol은 298 K에서 -63 pK와a 동일하다.

기타 헬륨 수소 이온

추가 헬륨 원자는 HeH+2+, HeH3+, HeH4+, HeH5+, HeH, HeH와6+ 같은 더 큰 군집을 형성할 수 있다.[21]

디엘리움 하이드라이드 양이온 HeH는2+ 디엘리움 양이온과 분자 수소의 반응에 의해 형성된다.

He+
2 + H2 → He2H+ + H

수소가 중앙에 있는 선형 이온이다.[21]

헥사헬리움 하이드라이드 이온 HeH는6+ 특히 안정적이다.[21]

다른 헬륨 하이드라이드 이온은 알려져 있거나 이론적으로 연구되어 왔다. 극초단파 분광법을 이용한 이온 즉, 이염도헬륨(1+), HeH가+
2 관찰되었다.[24] 계산된 결합에너지는 25.1 kJ/mol이고, 삼수델리움(1+), HeH는+
3 계산된 결합에너지는 0.42 kJ/mol이다.[25]

역사

이온화 실험에서의 발견

히드리도헬리움(1+), 특히 [4He1H

]+은 T. R. Hogness와 E. G. Lunn에 의해 1925년에 처음으로 간접적으로 검출되었다. 그들은+
H, H+
2, H와+
3 같은 수소 이온의 형성을 연구하기 위해 수소와 헬륨의 희귀한 혼합물에 알려진 에너지의 양자를 주입하고 있었다. 그들은 H가+
3 H와+
2 같은 빔 에너지(16 eV)에서 나타났고, 그 농도가 다른 두 이온의 그것보다 훨씬 더 많은 압력과 함께 증가했다고 관찰했다. 이 데이터로부터, 그들은+
2 H 이온이 헬륨을 포함한 그들이 충돌한 분자들에게 양성자를 전달하고 있다고 결론지었다.[6]

1933년 K. 베인브릿지는 질량 분광법을 사용하여 헬륨과 비교한 중수소 원자 질량의 정확한 측정을 얻기 위해 이온 [4He1H

](+헬륨수화물 이온)와 [2H21H


](+이중수소 이온)의 질량을 비교하였다. 두 이온 모두 양성자 3개, 중성자 2개, 전자 2개가 있다. 또한 그는 [4He2H

](+헬리움 중수소 이온)과 [2H3

](+삼중수소 이온)을 비교했고, 양성자 3개와 중성자 3개를 모두 가지고 있었다.[15]

초기 이론 연구

양자역학 이론에 의해 HeH+ 이온(특히 [4He1H

])+의 구조를 계산하려는 첫 번째 시도는 1936년 J. Beach에 의해 이루어졌다.[26] 개선된 연산은 그 후 수십 년 동안 산발적으로 발표되었다.[27][28]

화학에서의 삼중수소 붕괴 방법

H. 슈워츠는 1955년에 삼중수소 분자 T2
 = 3H2의

붕괴가 높은 확률로 헬륨 하이드라이드 이온[3HeT
]+을 생성해야 한다고 관찰했다.

1963년 로마 사피엔자 대학의 F. Cacace는 유기산소와 카르베늄 이온을 준비하고 연구하기 위한 붕괴 기술을 구상했다.[29] 그 기법의 변종에서 메토늄 세정과 같은 이국적인 종은 원하는 시약과 혼합된 T2의
붕괴에 의해 생성되는 [3HeT
]+와 유기 화합물을 반응시켜 생산된다. [HeH]+의 화학에 대해 우리가 알고 있는 많은 것들이 이 기술을 통해 얻어졌다.[30]

중성미자 질량 실험에 대한 의미

1980년 V. 모스크바의 ITEP 실험실의 루비모프(Lyubimov)는 삼중수소 β 붕괴의 에너지 스펙트럼을 분석하여 중성미자에 대해 약간 유의미한 휴식 질량(30 ± 16) eV를 검출했다고 주장했다.[31] 이 주장은 논란이 되었고, 몇몇 다른 단체들은 분자 삼중수소 T의
2 붕괴를 연구함으로써 그것을 점검하기 시작했다. 그러한 붕괴에 의해 방출되는 에너지의 일부는 [3HeT
]+를 포함한 붕괴 제품의 배설물로 전용될 것으로 알려져 있었다; 이러한 현상은 그 실험에서 상당한 오류의 원인이 될 수 있다. 이러한 관찰은 이러한 측정의 불확실성을 줄이기 위해 해당 이온의 예상 에너지 상태를 정밀하게 계산하려는 수많은 노력에 동기를 부여했다.[citation needed] 그 이후로 많은 수의 연산이 개선되었고, 이제는 동위원소[4He2H

],+ [3He1H

],+ [3He2H

]+[17][12]를 포함하여 계산된 특성과 실험 특성 사이에 상당히 좋은 합치가 있다.

스펙트럼 예측 및 검출

1956년 M. 캔트웰은 이론적으로 이온의 진동 스펙트럼은 적외선에서 관측할 수 있어야 하며, 중수소 및 일반 수소 동위원소 스펙트럼([3HeD
]+ 및 [3He1H

])+은 가시광선에 더 가깝고 따라서 관측하기 쉬워야 한다고 예측했다.[11] [4He1H

]+의 스펙트럼의 첫 번째 검출은 D에 의해 이루어졌다. 1979년 톨리버와 다른 사람들은 1700에서 1900 cm사이의−1 배관공에서 살았다.[32] 1982년 P. 버나스와 T. 아마노는 cm당 2164~3158파 사이의 적외선 9개를 검출했다.[16]

성간 공간

HeH는+ 1970년대부터 성간 매체에 존재하는 것으로 오랫동안 추측되어 왔다.[33] NGC 7027 성운에서 처음으로 검출된 것은 2019년 4월 네이처지에 실린 기사에서 보고된 바 있다.[4]

자연발생

삼중수소의 붕괴로부터

헬륨 하이드라이드 이온은 분자 HT 또는 삼중수소 분자2 T에서 삼중수소가 붕괴하는 동안 형성된다. 베타 붕괴로 인한 반동에 흥분했지만, 분자는 여전히 함께 묶여 있다.[34]

성간 매체

우주에서 형성된 최초의 화합물로 여겨지며,[2] 초기 우주의 화학을 이해하는 데 근본적 중요성이 있다.[35] 수소와 헬륨이 빅뱅 핵합성체에서 형성된 원자의 거의 유일한 형태였기 때문이다. 원시 물질에서 형성된 별은 HeH를+ 포함해야 하며, HeH는 이들의 형성과 후속 진화에 영향을 미칠 수 있다. 특히 강한 쌍극자 모멘트는 제로메탈성 별의 불투명성과 관련이 있다.[2] HeH는+ 또한 헬륨이 풍부한 백색 왜성의 대기의 중요한 구성 성분으로 생각되는데, 여기서 기체의 불투명도 증가시키고 별이 더 천천히 식게 한다.[36]

HeH는+ 항성 간 구름의 밀집된 항성간 구름에서 항산화 충격 뒤에 있는 냉각 가스에서 형성될 수 있다. 예를 들어 항성 바람, 초신성, 젊은 별에서 물질 유출에 의한 충격이다. 충격 속도가 초당 약 90km(56mi/s) 이상일 경우 감지할 수 있을 만큼 큰 양이 형성될 수 있다. 감지되면 HeH로부터의+ 방출은 충격의 유용한 추적기가 될 것이다.[37]

HEH가+ 검출될 수 있는 장소로는 몇 군데가 제시되어 있었다. 여기에는 NGC 7027처럼 시원한 헬륨 별,[2] H II 지역,[38][38] 조밀한 행성상성운 등이 포함돼 2019년 4월 HH가+ 검출된 것으로 알려졌다.[35][4]

참고 항목

참조

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