El ion hidruro de helio , ion hidridohelio(1+) o helonio es un catión ( ion cargado positivamente ) con fórmula química HeH + . Consiste en un átomo de helio unido a un átomo de hidrógeno , al que se le ha quitado un electrón . También puede verse como helio protonado. Es el ion heteronuclear más ligero y se cree que es el primer compuesto formado en el Universo después del Big Bang . [2]
El ion se produjo por primera vez en un laboratorio en 1925. Es estable de forma aislada, pero extremadamente reactivo, y no se puede preparar en masa, porque reaccionaría con cualquier otra molécula con la que entrara en contacto. Considerado el ácido más fuerte conocido (más fuerte incluso que el ácido fluoroantimónico ), su aparición en el medio interestelar se había conjeturado desde la década de 1970 [3] y finalmente se detectó en abril de 2019 utilizando el telescopio aéreo SOFIA . [4] [5]
El ion hidrógeno helio es isoelectrónico con el hidrógeno molecular ( H
2). [6]
A diferencia del ion dihidrógeno H+
2, el ion hidruro de helio tiene un momento dipolar permanente , lo que facilita su caracterización espectroscópica. [7] El momento dipolar calculado del HeH + es 2,26 o 2,84 D. [8] La densidad de electrones en el ion es mayor alrededor del núcleo de helio que la del hidrógeno. El 80% de la carga del electrón está más cerca del núcleo de helio que del núcleo de hidrógeno. [9]
La detección espectroscópica se ve obstaculizada porque una de sus líneas espectrales más prominentes, a 149,14 μm , coincide con un doblete de líneas espectrales que pertenecen al radical metilidino ⫶ CH. [2]
La longitud del enlace covalente en el ion es 0,772 Å [10] o 77,2 pm .
El ion hidruro de helio tiene seis isotopólogos relativamente estables , que se diferencian en los isótopos de los dos elementos y, por tanto, en el número de masa atómica total ( A ) y el número total de neutrones ( N ) en los dos núcleos:
Todos ellos tienen tres protones y dos electrones. Los tres primeros se generan por desintegración radiactiva del tritio en las moléculas HT = 1 H 3 H , DT = 2 H 3 H y T 2 = 3 H 2 , respectivamente. Los tres últimos pueden generarse ionizando el isotopólogo apropiado de H2 en presencia de helio-4. [6]
Los siguientes isotopólogos del ion hidruro de helio, del ion dihidrógeno H+2, y del ion trihidrógeno H+3tienen el mismo número de masa atómica total A :
Sin embargo, las masas en cada fila anterior no son iguales porque las energías de enlace en los núcleos son diferentes. [15]
A diferencia del ion hidruro de helio, la molécula neutra de hidruro de helio HeH no es estable en su estado fundamental. Sin embargo, existe en estado excitado como excímero (HeH*), y su espectro se observó por primera vez a mediados de los años 1980. [18] [19] [20]
La molécula neutra es la primera entrada en la base de datos de Gmelin . [3]
Dado que el HeH + no se puede almacenar en ninguna forma utilizable, se debe estudiar su química formándolo in situ .
Las reacciones con sustancias orgánicas, por ejemplo, se pueden estudiar creando un derivado de tritio del compuesto orgánico deseado. La desintegración del tritio a 3 He + seguida de la extracción de un átomo de hidrógeno produce 3 HeH + que luego está rodeado por el material orgánico y, a su vez, reaccionará. [21] [22]
El HeH + no se puede preparar en fase condensada , ya que donaría un protón a cualquier anión , molécula o átomo con el que entrara en contacto. Se ha demostrado que protona O 2 , NH 3 , SO 2 , H 2 O y CO 2 , dando HO+
2, Nuevo Hampshire+
4, HSO+2, H 3 O + y HCO+2 respectivamente. [21] Otras moléculas como el óxido nítrico , el dióxido de nitrógeno , el óxido nitroso , el sulfuro de hidrógeno , el metano , el acetileno , el etileno , el etano , el metanol y el acetonitrilo reaccionan pero se rompen debido a la gran cantidad de energía producida. [21]
De hecho, HeH + es el ácido más fuerte conocido , con una afinidad protónica de 177,8 kJ/mol. [23] La acidez acuosa hipotética se puede estimar utilizando la ley de Hess :
(a) Se estima que es el mismo que para Li + ( aq ) → Li + ( g ).
(b) Estimado a partir de datos de solubilidad.
Un cambio de energía libre de disociación de −360 kJ/mol es equivalente a una p K a de −63 a 298 K.
Se pueden unir átomos de helio adicionales al HeH + para formar grupos más grandes como He 2 H + , He 3 H + , He 4 H + , He 5 H + y He 6 H + . [21]
El catión hidruro de dihelio, He 2 H + , se forma mediante la reacción del catión dihelio con hidrógeno molecular:
Es un ion lineal con hidrógeno en el centro. [21]
El ion hidruro de hexahelio, He 6 H + , es particularmente estable. [21]
Se conocen o se han estudiado teóricamente otros iones hidruro de helio. Ion dihidruro de helio o dihidridohelio(1+) , HeH+
2, se ha observado mediante espectroscopía de microondas. [24] Tiene una energía de enlace calculada de 25,1 kJ/mol, mientras que el trihidridohelio(1+) , HeH+
3, tiene una energía de enlace calculada de 0,42 kJ/mol. [25]
El hidridohelio(1+), específicamente [ 4 He 1 H] + , fue detectado indirectamente por primera vez en 1925 por TR Hogness y EG Lunn. Estaban inyectando protones de energía conocida en una mezcla enrarecida de hidrógeno y helio, para estudiar la formación de iones de hidrógeno como H.+
, h+
2y h+
3. Observaron que H+
3apareció con la misma energía del haz (16 eV ) que H+
2, y su concentración aumentó con la presión mucho más que la de los otros dos iones. A partir de estos datos, concluyeron que el H+
2Los iones transfirieron un protón a las moléculas con las que chocaron, incluido el helio. [6]
En 1933, K. Bainbridge utilizó espectrometría de masas para comparar las masas de los iones [ 4 He 1 H] + (ion hidruro de helio) y [ 2 H 2 1 H] + (ion trihidrógeno dos veces deuterado) para obtener una imagen precisa. Medición de la masa atómica del deuterio en relación con la del helio. Ambos iones tienen 3 protones, 2 neutrones y 2 electrones. También comparó el [ 4He2H ] + (ion deuteruro de helio) con el [2H3]+ ( ion trideuterio ) , ambos con 3 protones y 3 neutrones. [15]
El primer intento de calcular la estructura del ion HeH + (específicamente, [ 4 He 1 H] + ) mediante la teoría de la mecánica cuántica fue realizado por J. Beach en 1936. [26] Esporádicamente se publicaron cálculos mejorados durante las siguientes décadas. [27] [28]
H. Schwartz observó en 1955 que la desintegración de la molécula de tritio T 2 = 3 H 2 debería generar el ion hidruro de helio [ 3 HeT] + con alta probabilidad.
En 1963, F. Cacace de la Universidad Sapienza de Roma concibió la técnica de desintegración para preparar y estudiar radicales orgánicos e iones carbenio . [29] En una variante de esa técnica, especies exóticas como el metanio se producen haciendo reaccionar compuestos orgánicos con el [ 3 HeT] + que se produce por la desintegración de T 2 que se mezcla con los reactivos deseados. Gran parte de lo que sabemos sobre la química del [HeH] + procede de esta técnica. [30]
En 1980, V. Lubimov (Lyubimov) en el laboratorio ITEP de Moscú afirmó haber detectado una masa en reposo ligeramente significativa (30 ± 16) eV para el neutrino , analizando el espectro de energía de la desintegración β del tritio. [31] La afirmación fue cuestionada y varios otros grupos se propusieron comprobarla estudiando la desintegración del tritio molecular T.
2. Se sabía que parte de la energía liberada por esa desintegración se desviaría hacia la excitación de los productos de desintegración, incluido [ 3 HeT] + ; y este fenómeno podría ser una fuente importante de error en ese experimento. Esta observación motivó numerosos esfuerzos para calcular con precisión los estados de energía esperados de ese ion con el fin de reducir la incertidumbre de esas mediciones. [ cita necesaria ] Muchos han mejorado los cálculos desde entonces, y ahora existe una concordancia bastante buena entre las propiedades calculadas y experimentales; incluso para los isotopólogos [ 4 He 2 H] + , [ 3 He 1 H] + y [ 3 He 2 H] + . [17] [12]
En 1956, M. Cantwell predijo teóricamente que el espectro de vibraciones de ese ion debería ser observable en el infrarrojo; y los espectros de los isotopólogos del deuterio y del hidrógeno común ( [ 3 HeD] + y [ 3 He 1 H] + ) deberían estar más cerca de la luz visible y, por tanto, más fáciles de observar. [11] La primera detección del espectro de [ 4 He 1 H] + fue realizada por D. Tolliver y otros en 1979, en números de onda entre 1.700 y 1.900 cm −1 . [32] En 1982, P. Bernath y T. Amano detectaron nueve líneas infrarrojas entre 2.164 y 3.158 ondas por cm. [dieciséis]
Desde la década de 1970 se ha conjeturado durante mucho tiempo que el HeH + existe en el medio interestelar . [33] Su primera detección, en la nebulosa NGC 7027 , se informó en un artículo publicado en la revista Nature en abril de 2019. [4]
El ion hidruro de helio se forma durante la desintegración del tritio en la molécula HT o en la molécula de tritio T 2 . Aunque excitada por el retroceso de la desintegración beta, la molécula permanece unida. [34]
Se cree que es el primer compuesto que se formó en el universo [2] y es de fundamental importancia para comprender la química del universo primitivo. [35] Esto se debe a que el hidrógeno y el helio fueron casi los únicos tipos de átomos formados en la nucleosíntesis del Big Bang . Las estrellas formadas a partir del material primordial deberían contener HeH + , lo que podría influir en su formación y posterior evolución. En particular, su fuerte momento dipolar lo hace relevante para la opacidad de las estrellas de metalicidad cero . [2] También se cree que el HeH + es un componente importante de las atmósferas de las enanas blancas ricas en helio, donde aumenta la opacidad del gas y hace que la estrella se enfríe más lentamente. [36]
El HeH + podría formarse en el gas que se enfría detrás de los choques disociativos en densas nubes interestelares, como los choques causados por vientos estelares , supernovas y material que sale de estrellas jóvenes. Si la velocidad del choque es superior a unos 90 kilómetros por segundo (56 mi/s), podrían formarse cantidades lo suficientemente grandes como para detectarlas. Si se detectan, las emisiones de HeH + serían útiles trazadores del choque. [37]
Se habían sugerido varios lugares como posibles lugares en los que podría detectarse HeH + . Estas incluían estrellas frías de helio , [2] regiones H II , [38] y nebulosas planetarias densas , [38] como NGC 7027 , [35] donde, en abril de 2019, se informó que se había detectado HeH + . [4]