ヘリウム水素イオン

ヘリウム水素イオン

名前
体系的なIUPAC名 ヒドリドヘリウム(1+) [1]
その他の名前 ヘロニウム 水素化ヘリウム
識別子
CAS番号	13766-24-0 [2] いいえ
3Dモデル（JSmol）	インタラクティブ画像
チェビ	チェビ:33688 CHEBI:33689中性エキシマー
ケムスパイダー	21106447 はい
グメリン参照	2
CompTox ダッシュボード ( EPA )	DTXSID801018818
InChI InChI=1S/HHe/h1H/q+1 はい キー: HSFAAVLNFOAYQX-UHFFFAOYSA-N はい
笑顔 [HeH+]
プロパティ
化学式	へへ+
モル質量	5.01054 グラムモル−1
共役塩基	ヘリウム
関連化合物
関連化合物	ネオニウム、アルゴニウム、クリプトニウム、キセノニウム
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。 インフォボックス参照

ヘリウム水素化物イオン、ヒドリドヘリウム(1+)イオン、またはヘロニウムは、化学式HeH ^+の陽イオン（正に帯電した イオン）です。これは、電子が1つ除去された水素原子に結合したヘリウム原子で構成されています。プロトン化されたヘリウムと見なすこともできます。これは最も軽い異核イオンであり、ビッグバン後に宇宙で形成された最初の化合物であると考えられています。^[3]

このイオンは1925年に研究室で初めて生成されました。単独では安定していますが、反応性が非常に高く、接触した他の分子と反応してしまうため、大量に製造することはできません。フルオロアンチモン酸よりも強い、最も強い既知の酸として知られており、星間物質での発生は1970年代から推測されていましたが、^{[4] 2019年4月に航空機搭載の}SOFIA望遠鏡でようやく検出されました。^{[5] [6]}

ヘリウム水素イオンは分子状水素（H
₂）。^[7]

二水素イオン Hとは異なり⁺
₂ヘリウム水素化物イオンは永久双極子モーメントを持ち、そのため分光学的特性評価が容易である。^{[8] HeH +}の計算された双極子モーメントは2.26または2.84  Dである。^[9]イオン内の電子密度は水素よりもヘリウム原子核の周りで高い。電子電荷の80%は水素原子核よりもヘリウム原子核に近い。^[10]

最も顕著なスペクトル線の一つである149.14  μmがメチリジンラジカル ⫶CHに属するスペクトル線の二重線と一致するため、分光検出は困難である。^[3]

イオン中の 共有結合の長さは0.772Å ^[11]または77.2pmである。

ヘリウム水素化物イオンには、 2 つの元素の同位体が異なり、したがって 2 つの原子核の総原子質量数( A ) と中性子の総数( N ) が異なる、比較的安定した同位体が6 つあります。

• [ ³ He ¹ H] ⁺または[ ³ HeH] ⁺ ( A = 4, N = 1)  ^{[12] [13]}
• [ ³ He ² H] ⁺または[ ³ HeD] ⁺ ( A = 5, N = 2)  ^{[12] [13]}
• [ ³ He ³ H] ⁺または[ ³ HeT] ⁺（A = 6、N = 3; 放射性）  ^{[14] [12] [15]}
• [ ⁴ He ¹ H] ⁺または[ ⁴ HeH] ⁺ ( A = 5, N = 2)  ^{[7] [16] [17] [18] [13]}
• [ ⁴ He ² H] ⁺または[ ⁴ HeD] ⁺ ( A = 6, N = 3)  ^{[16] [13]}
• [ ⁴ He ³ H] ⁺または[ ⁴ HeT] ⁺ ( A = 7, N = 4; 放射性) 

これらはすべて3つの陽子と2つの電子を持っています。最初の3つは、それぞれ分子HT = ¹ H ³ H、DT = ² H ³ H、およびT ₂ = ³ H ₂内のトリチウムの放射性崩壊によって生成されます。最後の3つは、ヘリウム4の存在下でH ₂の適切な同位体をイオン化することによって生成されます。 ^[7]

ヘリウム水素化物イオン、二水素イオンHの以下の同位体+2、三水素イオン H+3同じ総原子質量数Aを持つ：

• [ ³ HeH] ⁺、[D ₂ ] ⁺、[TH] ⁺、[DH ₂ ] ⁺（A = 4）
• [ ³ HeD] ⁺、[ ⁴ HeH] ⁺、[DT] ⁺、[TH ₂ ] ⁺、[D ₂ H] ⁺（A = 5）
• [ ³ HeT] ⁺、[ ⁴ HeD] ⁺、[T ₂ ] ⁺、[TDH] ⁺、[D ₃ ] ⁺ ( A = 6)
• [ ⁴ HeT] ⁺、[TD ₂ ] ⁺、[T ₂ H] ⁺（A = 7）

ただし、原子核の結合エネルギーが異なるため、上記の各行の質量は等しくありません。^[16]

ヘリウム水素化物イオンとは異なり、中性ヘリウム水素化物分子HeHは基底状態では安定ではない。しかし、励起状態ではエキシマー（HeH*）として存在し、そのスペクトルは1980年代半ばに初めて観測された。^{[19] [20] [21]}

この中性分子はグメリンデータベースの最初のエントリである。^[4]

HeH ^{+ はあらゆる物質と反応するため、どのような容器にも保存できません。そのため、その化学反応を調べるには、}その場で生成する必要があります。

有機物質との反応は、目的の有機化合物の水素をトリチウムで置き換えることによって研究することができます。トリチウムが³ He ⁺に崩壊し、続いて化合物から水素原子が抽出されると³ HeH ^{+ が}生成され、これが有機物質に囲まれて反応します。^{[22] [23]}

TR → ³ He ⁺ + R ^• (ベータ崩壊)

³ He ⁺ + HR → ³ HeH ⁺ + R ^•（水素引き抜き）

HeH ^+は凝縮相で生成することはできない。接触した陰イオン、分子、原子にプロトンを供与するからである。O ₂、NH ₃、SO ₂、H ₂ O、CO _{2をプロトン化して}HOを生成することがわかっている。⁺
₂、ニューハンプシャー州⁺
₄、HSO+2、H ₃ O ⁺、HCO+2です。^[22]一酸化窒素、二酸化窒素、亜酸化窒素、硫化水素、メタン、アセチレン、エチレン、エタン、メタノール、アセトニトリルなどの他の分子も反応しますが、生成されるエネルギーが大量にあるため分解します。^[22]

実際、HeH ^+は陽子親和力が177.8 kJ/molで、最も強い既知の酸です。 ^[24]

追加のヘリウム原子はHeH ^{+に付着してHe} ₂ H ⁺、He ₃ H ⁺、He ₄ H ⁺、He ₅ H ⁺、He ₆ H ⁺などのより大きなクラスターを形成する。^[22]

二ヘリウム水素化物陽イオン He ₂ H ^{+ は、}二ヘリウム陽イオンと分子状水素の反応によって生成されます。

彼⁺
₂+ H ₂ → He ₂ H ⁺ + H

中心に水素を持つ直線イオンである。^[22]

六価ヘリウム水素化物イオンHe6H ₊^は特に安定である。^[22]

他のヘリウム水素化物イオンも知られているか、理論的に研究されている。ヘリウム二水素化物イオン、またはジヒドリドヘリウム（1+）、HeH⁺
₂は、マイクロ波分光法を用いて観測されている。^[25]計算された結合エネルギーは25.1 kJ/molであるが、トリヒドリドヘリウム(1+)、HeH⁺
₃計算された結合エネルギーは0.42 kJ/molである。^[26]

ヒドリドヘリウム(1+)、具体的には[ ^{4He1H ] +}は、1925年にTRホグネスとEGランによって間接的に初めて検出されました。彼らは、 Hのような水素イオンの形成を研究するために、既知のエネルギーの陽子を水素とヘリウムの希薄混合物に注入していました。⁺
、H⁺
₂とH⁺
₃彼らは、H⁺
₃Hと同じビームエネルギー（16 eV）で出現した⁺
₂、その濃度は他の2つのイオンよりも圧力とともに大幅に増加した。これらのデータから、彼らはH⁺
₂イオンは衝突した分子（ヘリウムを含む）に陽子を伝達していた。^[7]

1933年、K. ベインブリッジは質量分析法を用いて[ ^4He1H ] ⁺（ヘリウム水素化物イオン）と[ 2H21H ] ^{+ （ 2}_重水素化^三水素イオン）の質量を比較し^、ヘリウムに対する重水素の原子質量の正確な測定値を得た。どちらのイオンも陽子3個、中性子2個、電子2個を持つ。彼は​​また、[ ^4He2H ] ⁺（ヘリウム重水素化物イオン）と[ ^2H3 ] ^{+ （}三重水素イオン）を比較したが、どちらも陽子3個と中性子3個である。[ ₁₆ ^]

HeH ⁺イオン（具体的には[ ^4He1H ] ^{+ ）の構造を量子力学}理論で計算する最初の試みは、1936年にJ.ビーチによって行われました。 ^[27] その後数十年にわたって、改良された計算が散発的に発表されました。^{[28] [29]}

H.シュワルツは1955年に、トリチウム分子T ₂ = ³ H ₂の崩壊によって、高い確率でヘリウム水素イオン[ ³ HeT] ⁺が生成されるはずであることを観察しました。

1963年、ローマ・ラ・サピエンツァ大学のF.カカチェは、有機ラジカルとカルベニウムイオンを調製し研究するための崩壊法を考案した。^[30]この技術の変種では、T ₂の崩壊によって生成された[ ³ HeT] ⁺を目的の試薬と混合し、有機化合物を反応させることで、メタンのような珍しい種が生成される。 [HeH] ⁺の化学について私たちが知っていることの多くは、この技術を通じて得られたものである。^[31]

1980年、モスクワのITEP研究所のV. ルビモフ（リュビモフ）は、トリチウムのβ崩壊のエネルギースペクトルを解析することで、ニュートリノの静止質量（30 ± 16）eVを検出したと主張した。 ^{[32]この主張は論争となり、他のいくつかのグループが分子トリチウム}T の崩壊を研究することでそれを検証しようとした。
₂崩壊によって放出されるエネルギーの一部は、[ ³ HeT] ⁺などの崩壊生成物の励起に転用されることが知られており、この現象は実験の大きな誤差源となる可能性がある。この観察は、測定の不確実性を減らすために、そのイオンの予想されるエネルギー状態を正確に計算する多くの努力を促した。^[要出典]それ以来、多くの人が計算を改良し、現在では計算値と実験値の間にかなり良い一致が見られ、同位体[ ⁴ He ² H] ⁺、[ ³ He ¹ H] ⁺、[ ³ He ² H] ⁺についても一致している。^{[18] [13]}

1956年、M. Cantwellは理論的にそのイオンの振動スペクトルは赤外線で観測できるはずであり、重水素と一般的な水素同位体（[ ³ HeD] ⁺と[ ³ He ¹ H] ⁺）のスペクトルは可視光に近いため観測しやすいはずだと予測した。^[12] [ ⁴ He ¹ H] ⁺ のスペクトルは、1979年にD. Tolliverらによって波数1,700～1,900 cm ⁻¹で初めて検出された。^[33] 1982年、P. BernathとT. Amanoは1cmあたり2,164～3,158波の赤外線線を9本検出した。^[17]

HeH ^+は1970年代から長い間、星間物質中に存在すると推測されてきました。^[34] NGC 7027星雲での最初の検出は、2019年4月にネイチャー誌に掲載された論文で報告されました。 ^[5]

ヘリウム水素化物イオンは、分子HTまたはトリチウム分子T _2内のトリチウムの崩壊中に生成されます。ベータ崩壊による反動で励起されますが、分子は結合したままです。^[35]

これは宇宙で最初に形成された化合物であると考えられており、^[3]初期宇宙の化学を理解する上で根本的に重要である。^[36]これは、ビッグバン元素合成で形成された原子が水素とヘリウムのほぼ唯一の種類であったためである。原始物質から形成された星にはHeH ^+が含まれているはずであり、それが星の形成とその後の進化に影響を与える可能性がある。特に、その強い双極子モーメントは、金属量ゼロの星の不透明度に関連している。^[3] HeH ⁺は、ヘリウムが豊富な白色矮星の大気の重要な構成要素であると考えられており、ガスの不透明度を高め、星の冷却を遅くする。^[37]

HeH ^+は、恒星風、超新星、若い恒星からの物質流出などによって引き起こされる衝撃波など、高密度の星間雲内の解離衝撃波の背後の冷却ガス中に形成される可能性がある。衝撃波の速度が約90キロメートル/秒（56マイル/秒）を超える場合、検出できるほど大量のHeH +が形成される可能性がある。検出されれば、HeH ⁺からの放出は衝撃波の有用なトレーサーとなるだろう。^[38]

^{HeH +が}検出される可能性のある場所として、いくつかの場所が提案されています。これには、低温ヘリウム星^[3] 、HII領域^[39]、高密度惑星状星雲^[39]、NGC 7027 [ ^36]などがあり、2019年4月にHeH ⁺が検出されたと報告されています^{[5] 。}

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