أيون هيدريد الهيليوم

يحتوي أيون هيدريد الهيليوم على ستة نظائر مستقرة نسبياً ، تختلف في نظائر العنصرين، وبالتالي في العدد الكتلي الذري الكلي ( A ) والعدد الكلي للنيوترونات ( N ) في النواتين:

• [ ^3He1H ] ⁺ أو [ ^3HeH ] ⁺ ( A = 4، N = 1 ^{) [ 12 ] [ 13 ]} 
• [ ^3He2H ] ⁺ أو [ ^3HeD ] ⁺ ( A = 5، N = 2 ^{) [ 12 ] [ 13 ]} 
• [ ^3He3H ] ⁺ أو [ 3HeT ^] + ⁽ A ⁼ 6، N = 3؛ مشع ^{) [ 14 ] [ 12} ] ^{[ 15 ]} 
• [ ⁴ He ¹ H] ⁺ أو [ ⁴ HeH] ⁺ ( A = 5، N = 2) ^{[ 7 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 13 ]} 
• [ ⁴ He ² H] ⁺ أو [ ⁴ HeD] ⁺ ( A = 6، N = 3) ^{[ 16 ] [ 13 ]} 
• [ ⁴ He ³ H] ⁺ أو [ ⁴ HeT] ⁺ ( A = 7، N = 4؛ مشع) 

تحتوي جميعها على ثلاثة بروتونات وإلكترونين. تُنتَج البروتونات الثلاثة الأولى عن طريق التحلل الإشعاعي للتريتيوم في الجزيئات HT = 1H3H، وDT = 2H3H، وT2 = 3H2 ، على التوالي ^. أما البروتونات ^{الثلاثة الأخيرة} ، فيمكن إنتاجها ^عن _{طريق تأيين} ^النظير المناسب من الهيدروجين _H2 في وجود الهيليوم-4. ^{[ 7 ]}

النظائر التالية لأيون هيدريد الهيليوم، وأيون ثنائي الهيدروجين H + 2 ، وأيون ثلاثي الهيدروجين H + 3 لها نفس العدد الكتلي الذري الكلي A :

• [ ^3HeH ] ⁺ ، [ D2 _] ⁺ ، [ TH ] ⁺ ، [ DH2 ] ⁺ ( A = 4 ₎
• [ ^3HeD ] ⁺ ، [ ^4HeH ] ⁺ ، [ DT] ⁺ ، [ TH2 ] ⁺ ، [ D2H ] ⁺ ₍ A= 5 ₎
• [ ³ HeT] ⁺ , [ ⁴ HeD] ⁺ , [ T ₂ ] ⁺ , [ TDH] ⁺ , [ D ₃ ] ⁺ ( A = 6)
• [ ^4HeT ] ⁺ ، [ TD2 _] + ^، [ T2H ] ⁺ (A= 7 ₎

مع ذلك، فإن الكتل في كل صف أعلاه ليست متساوية، لأن طاقات الربط في النوى مختلفة. ^{[ 16 ]}

على عكس أيون هيدريد الهيليوم، فإن جزيء هيدريد الهيليوم المتعادل (HeH) غير مستقر في حالته الأرضية. ومع ذلك، فهو موجود في حالة مثارة على شكل إكسيمر (HeH*)، وقد رُصد طيفه لأول مرة في منتصف ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

الجزيء المتعادل هو أول مدخل في قاعدة بيانات Gmelin . ^{[ 4 ]}

بما أن أيون الهيليوم الموجب (HeH ⁺⁾ يتفاعل مع جميع المواد، فلا يمكن تخزينه في أي وعاء. ونتيجة لذلك، يجب دراسة خصائصه الكيميائية من خلال إنتاجه في الموقع .

يمكن دراسة التفاعلات مع المواد العضوية باستبدال الهيدروجين في المركب العضوي المطلوب بالتريتيوم . يؤدي تحلل التريتيوم إلى ^{3He +، ثم} انتزاعه لذرة هيدروجين من المركب، إلى إنتاج 3HeH ^{+ ،} الذي يُحاط بعد ذلك بالمادة العضوية ويتفاعل بدوره. ^[ 22 ^{] [ 23 ]}

TR → 3He ^{+ +} R ^• ( تحلل بيتا )

³ He ⁺ + HR → ³ HeH ⁺ + R ^• ( انتزاع الهيدروجين )

لا يمكن تحضير أيون HeH ^{+ في} الحالة المكثفة ، لأنه سيتبرع ببروتون لأي أنيون أو جزيء أو ذرة يتلامس معها. وقد ثبت أنه يُبرتِن O2 _و NH3 و SO2 و H2O و CO2 ، _{مُنتجًا} HO ⁺ ₂ و NH4 و HSO ⁺ ₂ و _H3O + و HCO ⁺ ₂ ^{على التوالي} . ^{[ 22 ]} تتفاعل جزيئات أخرى مثل أكسيد النيتريك وثاني أكسيد النيتروجين _{وأكسيد النيتروز وكبريتيد} الهيدروجين والميثان والأسيتيلين والإيثيلين والإيثان والميثانول والأسيتونيتريل _، ولكنها تتفكك لاحقًا ^{بسبب كمية الطاقة الكبيرة} المُنتجة . [ 22 ]

في الواقع، يعتبر HeH ⁺ أقوى حمض معروف ، حيث تبلغ ألفة البروتون 177.8  كيلوجول/مول، أو قيمة pKa تساوي _-63 . ^{[ 24 ]}

يمكن أن ترتبط ذرات الهيليوم الإضافية بـ HeH ⁺ لتشكيل تجمعات أكبر مثل He ₂ H ⁺ ، He ₃ H ⁺ ، He ₄ H ⁺ ، He ₅ H ⁺ و He ₆ H ⁺ . ^{[ 22 ]}

يتكون كاتيون هيدريد ثنائي الهيليوم، He ₂ H ⁺ ، من خلال تفاعل كاتيون ثنائي الهيليوم مع الهيدروجين الجزيئي:

He ⁺ ₂ + H ₂ → He ₂ H ⁺ + H

هو أيون خطي يحتوي على ذرة هيدروجين في المركز. ^{[ 22 ]}

أيون هيدريد الهيليوم السداسي، He ₆ H ⁺ ، مستقر بشكل خاص. ^{[ 22 ]}

توجد أيونات أخرى لهيدريد الهيليوم، أو دُرست نظريًا. وقد رُصد أيون ثنائي هيدريد الهيليوم، أو ثنائي هيدريد الهيليوم (1+) ، HeH ⁺ _{2 ، باستخدام مطيافية الموجات الميكروية.} ^{[ 25 ]} تبلغ طاقة ربطه المحسوبة 25.1  كيلوجول/مول، بينما تبلغ طاقة ربط ثلاثي هيدريد الهيليوم (1+) ، HeH ⁺ ₃  ، 0.42 كيلوجول/مول. ^{[ 26 ]}

^{تم اكتشاف أيون} الهيدريدوهيليوم (1+)، وتحديدًا [ ^4He1H ] ⁺ ، لأول مرة بشكل غير مباشر عام 1925 على يد تي آر هوغنيس وإي جي لون. وقد قاما بحقن بروتونات ذات طاقة معروفة في خليط مخفف من الهيدروجين والهيليوم، لدراسة تكوين أيونات الهيدروجين مثل H ^+.، H ⁺ ₂ و H ⁺ _3. لاحظوا أن H ⁺ ₃ ظهر عند نفس طاقة الشعاع (16 إلكترون فولت ) مثل H ⁺ ₂ ، وأن تركيزه ازداد مع الضغط بشكل أكبر بكثير من تركيز الأيونين الآخرين. من هذه البيانات، استنتجوا أن أيونات H ⁺ ₂ كانت تنقل بروتونًا إلى الجزيئات التي تصطدم بها، بما في ذلك الهيليوم. ^{[ 7 ]}

في عام 1933، _استخدم ك . بينبريدج مطياف الكتلة لمقارنة كتل أيوني [ ^⁴He¹H ] ^⁺ (أيون هيدريد الهيليوم) و [ ^² H²¹H ] ^{⁺ (أيون ثلاثي} الهيدروجين المُدَوتَر مرتين) بهدف الحصول على قياس دقيق للكتلة الذرية للديوتيريوم نسبةً إلى كتلة الهيليوم. يحتوي كلا الأيونين على 3 بروتونات ونيوترونين وإلكترونين. كما قارن بينبريدج أيضًا ^[ ⁴He²H ^] ⁺ ⁽ أيون ^{ديوتيريد} الهيليوم) مع [ ^²H³ _] ^⁺ ( أيون ثلاثي الديوتيريوم )، وكلاهما يحتوي على 3 بروتونات و3 نيوترونات. ^{[ 16 ]}

أُجريت أول محاولة لحساب بنية أيون HeH ⁺ (وتحديدًا [ ^4He1H ] ^{+ )} باستخدام نظرية ميكانيكا الكم على يد ج. بيتش عام 1936. ^{[ 27 ]} ونُشرت حسابات مُحسّنة بشكل متقطع على مدى العقود التالية. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

لاحظ هـ. شوارتز في عام 1955 أن تحلل جزيء التريتيوم T ₂ = ³ H ₂ يجب أن يولد أيون هيدريد الهيليوم [ ³ HeT] ⁺ باحتمالية عالية.

في عام 1963، ابتكر ف. كاكاس في جامعة سابينزا بروما تقنية التحلل لتحضير ودراسة الجذور العضوية وأيونات الكربونيوم . ^{[ 30 ]} وفي أحد أشكال هذه التقنية، تُنتَج أنواعٌ غريبةٌ مثل الميثانيوم عن طريق تفاعل المركبات العضوية مع [ ^3HeT ] ⁺ الناتج عن تحلل T2 الممزوج بالكواشف المطلوبة. _وقد استُقِيَ الكثير مما نعرفه عن كيمياء [ HeH] ⁺ من خلال هذه التقنية. ^{[ 31 ]}

في عام 1980، ادعى ف. لوبيموف (ليوبيموف) في مختبر ITEP بموسكو أنه اكتشف كتلة سكون ذات دلالة إحصائية طفيفة (30 ± 16) إلكترون فولت للنيوترينو ، وذلك بتحليل طيف طاقة اضمحلال بيتا للتريتيوم. ^{[ 32 ]} وقد تم التشكيك في هذا الادعاء، وشرعت عدة مجموعات أخرى في التحقق منه بدراسة اضمحلال جزيء التريتيوم T_٢. ^{كان معروفًا} أن جزءًا من الطاقة المنبعثة من هذا الاضمحلال سيُحوَّل إلى إثارة نواتج الاضمحلال، بما في ذلك[^³HeT]^⁺،بهدف تقليل عدم اليقين في تلك القياسات.^فيذلك النظائر[^⁴He²H]^⁺و[^³He¹H]^⁺و[^³He²H]^⁺.[ ^{١٨ ]} [ ^{١٣ ]}

في عام 1956، تنبأ م. كانتويل نظريًا بإمكانية رصد طيف اهتزازات هذا الأيون في نطاق الأشعة تحت الحمراء؛ وأن أطياف الديوتيريوم ونظائر الهيدروجين الشائعة ( [ ^3HeD ] ⁺ و [ ³ He1H ] ^{+ ) ستكون أقرب إلى الضوء المرئي ،} وبالتالي أسهل في الرصد. ^{[ 12 ]} أُجري أول رصد لطيف [ ^4He1H ] ⁺ بواسطة د. توليفير وآخرين في عام 1979، عند أعداد موجية تتراوح بين 1700 و1900 سم⁻¹ ^{. [ 33 ] وفي عام 1982، رصد} ب. بيرناث وت. أمانو تسعة خطوط طيفية في نطاق الأشعة تحت الحمراء بين 2164 و3158 موجة/سم. ^{[ 17 ]} 

يُعتقد أن جسيم HeH ⁺ موجود في الوسط بين النجوم منذ سبعينيات القرن الماضي . ^{[ 34 ]} وقد تم الإبلاغ عن أول اكتشاف له، في سديم NGC 7027 ، في مقال نُشر في مجلة Nature في أبريل 2019. ^{[ 5 ]}

يتشكل أيون هيدريد الهيليوم أثناء تحلل التريتيوم في جزيء HT أو جزيء التريتيوم T2 _. وعلى الرغم من إثارته بفعل ارتداد تحلل بيتا، إلا أن الجزيء يبقى مرتبطًا ببعضه. ^{[ 35 ]}

يُعتقد أنه أول مركب تشكّل في الكون، ^{[ 3 ]} وله أهمية جوهرية في فهم كيمياء الكون المبكر. ^{[ 36 ]} ويعود ذلك إلى أن الهيدروجين والهيليوم كانا تقريبًا النوعين الوحيدين من الذرات التي تشكلت في عملية التخليق النووي للانفجار العظيم . من المتوقع أن يحتوي الغاز البدائي على أيون HeH ⁺ ، الذي قد يؤثر على معدل تبريده، وتكوين النجوم ، وتطورها اللاحق. من المتوقع أن يؤثر عزم ثنائي القطب العالي لأيون HeH ⁺ على عتامة الغلاف الجوي للنجوم عديمة المعدنية . ^{[ 3 ]} يُعتقد أيضًا أن أيون HeH ⁺ مكون مهم في أغلفة الأقزام البيضاء الغنية بالهيليوم، حيث يزيد من عتامة الغاز ويؤدي إلى تبريد النجم ببطء أكبر. ^{[ 37 ]}

قد يتشكل أيون الهيليوم الهيدروجيني (HeH ⁺⁾ في الغاز المتبرد خلف الصدمات التفككية في السحب النجمية الكثيفة، مثل الصدمات الناتجة عن الرياح النجمية والمستعرات العظمى وتدفق المواد من النجوم الفتية. إذا تجاوزت سرعة الصدمة 90 كيلومترًا في الثانية (56 ميلًا في الثانية) ، فقد تتشكل كميات كافية لرصدها. وفي حال رصدها، ستكون انبعاثات أيون الهيليوم الهيدروجيني (HeH ⁺⁾ مؤشرات مفيدة للصدمة. ^{[ 38 ]} 

تم اقتراح عدة مواقع كمواقع محتملة لاكتشاف أيونات الهيليوم HeH ^{+ . وشملت هذه المواقع} نجوم الهيليوم الباردة ، ^{[ 3 ]} ومناطق الهيدروجين المتأين (H II) ، ^{[ 39 ]} والسدم الكوكبية الكثيفة ، ^{[ 39 ]} مثل NGC 7027 ، ^{[ 36 ]} حيث تم الإبلاغ عن اكتشاف أيونات الهيليوم HeH ⁺ في أبريل 2019. ^{[ 5 ]}