ヘリウム水素化物イオン

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るため、2つの原子核における全原子質量数（A ）と全中性子数（N ）が異なる、比較的安定な6つの同位体が存在する。

• [ 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) 

これらはすべて陽子3個と電子2個を持っています。最初の3つは、それぞれHT = ¹ H ³ H、DT = ² H ³ H、T ₂ = ³ H ₂分子中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の適切な同位体分子をイオン化することによって生成できます。 ^{[ 7 ]}

ヘリウム水素化物イオン、二水素イオンH + 2、および三水素イオンH + 3の以下の同位体異性体は、同じ全原子質量数Aを持ちます。

• [ 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、上記の各行の質量は等しくありません。これは、原子核の結合エネルギーが異なるためです。^{[ 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ありません。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ました。^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

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、いかなる容器にも保存することができません。したがって、その化学的性質を研究するには、その場で生成する必要があります。

有機物質との反応は、目的の有機化合物中の水素をトリチウムで置換することによって研究することができる。トリチウムが崩壊して³ He ⁺となり、続いて化合物から水素原子が引き抜かれて³ HeH ^{+ が}生成される。これが有機物質に囲まれ、反応を起こす。^{[ 22 ] [ 23 ]}

TR → ³ He ⁺ + R ^• (ベータ崩壊)

³ He ⁺ + HR → ³ HeH ⁺ + R ^• (水素引き抜き反応)

HeH ^{+ は}凝縮相では調製できません。なぜなら、接触したアニオン、分子、または原子にプロトンを供与してしまうからです。O 2 、NH 3 、SO 2 、H 2 O 、および CO 2 をプロトン化し、それぞれHO ₊ 2 、_NH + 4 _、 HSO + ₂、 H 3 _O + 、および HCO + 2 を生成すること^が_示されて^い_ます。[ 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は反応しますが、生成されるエネルギー量が大きいため、その後分解します。^{[ 22 ]}

実際、HeH ^{+は既知の}酸の中で最も強く、プロトン親和力は 177.8  kJ/mol、p Ka_は-63 である。^{[ 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ことができます。^{[ 22 ]}

二ヘリウム水素化物カチオン He ₂ H ^+は、二ヘリウムカチオンと分子状水素との反応によって生成される。

He ⁺ ₂ + H ₂ → He ₂ H ⁺ + H

これは水素が中心にある直線状のイオンである。^{[ 22 ]}

六ヘリウム水素化物イオン He ₆ H ⁺は特に安定である。^{[ 22 ]}

他のヘリウム水素化物イオンは知られているか、理論的に研究されている。ヘリウム二水素化物イオン、または二水素化ヘリウム(1+)、HeH ⁺ ₂は、マイクロ波分光法を使用して観測されている。^{[ 25 ]}その計算された結合エネルギーは 25.1  kJ/mol であり、三水素化ヘリウム(1+)、HeH ⁺ ₃の計算された結合エネルギーは 0.42 kJ/mol である 。^{[ 26 ]}

ハイドリドヘリウム(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た。彼らは、H ⁺のような水素イオンの生成を研究するために、既知のエネルギーの陽子を希薄な水素とヘリウムの混合物に注入していた。H ⁺ ₂およびH ⁺ ₃について調べたところ、H ⁺ ₃はH ⁺ ₂と同じビームエネルギー (16 eV )で出現し、その濃度は他の 2 つのイオンよりもはるかに圧力とともに増加することがわかった。これらのデータから、 H ⁺ ₂イオンは衝突した分子 (ヘリウムを含む) に陽子を移動させていると結論付けた。 ^{[ 7 ]}

1933年、K.ベインブリッジは_質量^{分析法を用いて、イオン[4He1H} ] +（水素化ヘリウムイオン）と[2H21H ] ⁺（二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、陽子3個と中性子3個を持つ[4He2H ^] + _（水素^化ヘリウム^イオン）と[ ^2H3 ] ⁺（三重水素イオン）を比較した。 ^{[ 16 ]}

HeH ⁺イオン (具体的には、[ ⁴ He ¹ H] ⁺ ) 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. Beach によって行われた。^{[ 27 ]} その後数十年にわたり、改良された計算が散発的に発表された。^{[ 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化物イオン[ ³ HeT] ⁺が生成されるはずだと観察した。

1963年、ローマ・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および研究するための崩壊技術を考案した。 ^{[ 30 ]}この技術の変種では、目的の試薬と混合されたT2_の崩壊によって生成された[ ^3HeT ] ⁺と有機化合物を反応させることにより、メタンなどのエキゾチックな種が生成される。 [ HeH] ⁺の化学について私たちが知っていることの多くは、この技術を通して得られたものである。^{[ 31 ]}

1980年、モスクワのITEP研究所のV. リュビモフ（Lyubimov）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がわずかに有意な値（30 ± 16）eVであることを検出したと主張した。 ^{[ 32 ]}この主張は異議を唱えられ、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検証を試みた。_2.その崩壊によって放出されるエネルギーの一部が、[³HeT]⁺、この現象はその実験における大きな誤差の原因となる可能性がある。この観察により、これらの測定の不確実性を低減するために、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ための多くの努力がなされた。[⁴He²H]⁺、[³He¹H]⁺、および[³He²H]⁺を含め、計算された特性と実験特性の間にはかなり良い。 ^{[ 18 ] [ 13 ]}

1956年、M. Cantwellは、そのイオンの振動スペクトルは赤外線で観測可能であると理論的に予測し、重水素と一般的な水素同位体（[ ³ HeD] ⁺および[ 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と予測した。^{[ 12 ]} [ ⁴ He ¹ H] ⁺ のスペクトルの最初の検出は、1979年にD. Tolliverらが1,700～1,900 cm ⁻¹の波数で行った。^{[ 33 ]} 1982年、P. BernathとT. Amanoは、2,164～3,158波/cmの間に9本の赤外線線を検出した。^{[ 17 ]} 

HeH ^{+ は}1970 年代から星間物質中に存在すると推測されてきた。^{[ 34 ]}星雲NGC 7027での最初の検出は、 2019 年 4 月にNature誌に掲載された記事で報告された。 ^{[ 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T2中の_{トリチウム}の崩壊中に生成される。ベータ崩壊の反跳によって励起されるが、分子は結合したままである。^{[ 35 ]}

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、ビッグバン核合成で形成された原子の種類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は HeH ^{+ を}含んでいるはずであり、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、ゼロ金属量の星の不透明度に関係している。^{[ 3 ]} HeH ⁺は、ヘリウムに富む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、若い星からの流出物質によって引き起こされる衝撃波など、高密度の星間雲における解離衝撃波の背後の冷却ガスで生成される可能性がある。衝撃波の速度が毎秒約 90 キロメートル (56 mi/s)を超えると、検出可能な量の HeH + が生成される可能性がある。検出された場合、HeH ⁺からの放出は衝撃波の有用なトレーサーとなる。^{[ 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した。これらには、低温^{ヘリウム星 [ 3 ]、H II 領域 [ 39 ]、および NGC 7027 [} 36 ]^のような 高密度惑星^状星雲[ 39 ]が^含まれており、^2019年4月に HeH ⁺が検出されたと報告されています^{[ 5 ] 。}