수소화 헬륨 이온
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1. 개요
수소화 헬륨 이온(HeH⁺)은 수소와 헬륨으로 구성된 이온으로, 1925년 처음으로 간접적으로 발견되었다. 1979년 스펙트럼이 검출되었으며, 2019년 NGC 7027 성운에서 자연 상태로 존재함이 확인되었다. 수소화 헬륨 이온은 가장 강력한 산 중 하나이며, 다양한 분자와 반응하여 양성자를 제공한다. 또한, 초기 우주에서 생성된 최초의 화합물로 추정되며, 별의 형성 및 진화, 성간매질 연구에 중요하다.
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수소화 헬륨 이온 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
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개요 | |
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계통명 | 히드리도헬륨(1+) |
다른 이름 | 헬로늄, 헬륨화 수소 |
식별 정보 | |
CAS 등록번호 | 13766-24-0 |
ChemSpider ID | 21106447 |
ChEBI | 33688 |
ChEBI (중성 엑시머) | 33689 |
Gmelin | 2 |
SMILES | [HeH+] |
표준 InChI | 1S/HHe/h1H/q+1 |
표준 InChI 키 | HSFAAVLNFOAYQX-UHFFFAOYSA-N |
속성 | |
짝염기 | 헬륨 |
몰 질량 | 5.01054 g·mol−1 |
관련 화합물 | |
기타 화합물 | 네오늄, 아르고늄, 크립토늄, 제노늄 |
2. 역사
1925년 T. R. 오그네스와 E. G. 룬은 수소와 헬륨 혼합 기체에 양성자를 가하는 실험을 통해 수소 이온을 연구하던 중, 수소화 헬륨 이온(HeH⁺)을 간접적으로 처음 발견했다.[73][6] 이들은 이 합성되는 에너지와 같은 16 eV에서 를 감지했으며, 압력에 따라 의 농도가 다른 이온들보다 빠르게 증가하는 것을 확인했다. 이들은 이온이 헬륨을 포함한 다른 분자와 충돌하여 양성자를 전달한다는 결론을 내렸다.[73][6]
1933년 K. 베인브리지는 질량 분석법을 사용하여 헬륨 수소화물 이온()과 두 번 중수소화된 삼중수소 이온()의 질량을 비교하여 헬륨에 대한 중수소의 원자 질량을 정확하게 측정했다.[22] 두 이온은 모두 3개의 양성자, 2개의 중성자, 2개의 전자를 가지고 있었다. 그는 또한 헬륨 중수소화물 이온()과 삼중수소 이온()을 비교했는데, 두 이온 모두 3개의 양성자와 3개의 중성자를 가지고 있었다.[22]
1936년 J. 비치는 처음으로 양자역학 이론을 통해 HeH⁺ 이온(특히 )의 구조를 계산하려 시도했다.[23] 이후 수십 년 동안 개선된 계산 결과가 산발적으로 발표되었다.[24][25]
1955년 H. 슈워츠는 삼중수소 분자( = )의 붕괴가 높은 확률로 헬륨 수소화물 이온()을 생성할 것이라고 관찰했다.
1963년 F. 카카체는 유기 라디칼 및 카베늄 이온을 제조하고 연구하기 위한 붕괴 기술을 개발했다.[26] 이 기술을 변형하여 붕괴로 생성된 와 유기 화합물을 반응시켜 메테늄과 같은 이국적인 종을 생산할 수 있었다. 이 기술은 HeH⁺ 화학 연구에 많은 기여를 했다.[27]
1956년 M. 캔트웰은 이 이온의 진동 스펙트럼이 적외선에서 관측될 수 있으며, 중수소와 일반 수소 동위원소( 및 )의 스펙트럼은 가시광선에 더 가까워 관측이 용이할 것이라고 이론적으로 예측했다.[31] 1979년 D. 톨리버 등은 1,700~1,900 cm−1 파수에서 의 스펙트럼을 처음으로 검출했다.[32] 1982년 P. 버나스와 T. 아마노는 2,164~3,158 파수/cm 사이에서 9개의 적외선 선을 검출했다.[33]
1970년대부터 과학자들은 수소화 헬륨 이온이 성간매질에 존재할 것이라고 추정해왔다.[75] 2019년 4월, NGC 7027 성운에서 수소화 헬륨 이온이 실제로 발견되어 자연상에서의 존재가 증명되었다.[76]
2. 1. 한국의 관련 연구
3. 물리적 속성
수소 분자와 등전자성을 가진다.[73] 이수소 양이온과는 달리 영구적인 분자 쌍극자 모멘트를 가지고 있어 분광학적으로 분별하기가 더 쉽다.[77] 계산으로 유도한 수소화 헬륨 이온의 쌍극자 모멘트는 대략 2.26 또는 2.84 D이다.[78] 하지만 149.14 µm에서 가장 두드러지게 보이는 스펙트럼선은 메틸리딘 라디칼 '''⫶'''CH의 스펙트럼 이중선과 같다.[80]
이온 내 전자 밀도는 수소보다 헬륨 핵 주위에 더 높다. 전자 전하의 80%가 수소 핵보다 헬륨 핵에 더 가깝다.[9]
이온 내 두 원자 사이의 공유 결합 결합 길이는 0.772 Å이다.[61]
3. 1. 동위체
수소화 헬륨 이온은 수소와 헬륨의 동위 원소 조합에 따라 다양한 동위체를 가진다. 3He1H+, 3He2H+, 3He3H+, 4He1H+, 4He2H+, 4He3H+ 등이 존재하며, 이들은 총 원자 질량수(''A'') 및 두 핵 내 중성자의 총 수(''N'')가 다르다. 예를 들어 3He1H+는 ''A'' = 4, ''N'' = 1이고, 4He2H+는 ''A'' = 6, ''N'' = 3이다. 이들 동위체는 분자 HT, DT 및 T2에서 트리튬의 방사성 붕괴나, 헬륨-4 존재 하에 H2의 적절한 동위체를 이온화하여 생성할 수 있다. 헬륨 수소화물 이온, 이수소 이온(H2+), 삼수소 양이온(H3+)의 동위체들은 동일한 총 원자 질량수를 갖지만, 핵 내 결합 에너지 차이로 인해 질량은 동일하지 않다.3. 2. 중성 분자
이온 상태의 화합물과 달리 중성의 수소와 헬륨이 결합한 HeH 분자는 바닥 상태에서 안정하지 못하다. 하지만 들뜬 상태의 엑시머(HeH*) 상태로는 존재하며 이 분자의 스펙트럼선은 1980년대 중반 처음 밝혀졌다.[81][82][83] 중성 수소-헬륨 분자는 그멜린 데이터베이스의 첫 번째로 수록된 분자이다.[72]4. 화학적 속성
수소화 헬륨 이온은 사용 가능한 형태로 저장하기 매우 어렵기 때문에 화학 실험을 할 때에는 그자리에서 직접 합성하고 바로 반응시키는 형태(in situ)로 실험해야 한다. 예를 들어, 유기물질과의 반응을 연구할 때 원하는 유기 화합물의 삼중수소 유도체를 생성하여 삼중수소를 3He+로 붕괴시킨 후 수소 원자를 추출하면 3HeH+가 생성되며 이후 곧바로 주변의 유기 화합물과 반응할 것이다.
4. 1. 생성
수소화 헬륨 이온은 매우 반응성이 커서 어떤 용기에도 보관할 수 없다.[19][17] 따라서 화학 실험을 할 때에는 생성된 자리에서(in situ) 바로 반응시키는 형태로 실험해야 한다. 유기 물질과의 반응은 원하는 유기 화합물 내 수소를 삼중수소로 치환하여 연구할 수 있다. 삼중수소의 3He+로의 붕괴 후, 화합물로부터 수소 원자를 추출하면 3HeH+가 생성되며, 이는 차례로 유기 물질에 둘러싸여 반응한다.[19][17]:TR → 3He+ + R• (베타 붕괴)
:3He+ + HR → 3HeH+ + R• (수소 추상)
4. 2. 산성
수소화 헬륨 이온은 알려진 가장 강력한 산으로, 양성자 친화도는 177.8 kJ/mol이다.[74][18] 접촉하는 모든 원자, 분자, 음이온과 반응하여 양성자를 제공한다.[64]가상적인 수용성 산도는 -360 kJ/mol (pKa -63)으로 계산된다.
수소화 헬륨 이온은 산소(O2), 암모니아(NH3), 이산화 황(SO2), 물(H2O), 이산화 탄소(CO2)와 반응하여 양성자화되어 디옥사니륨(), 암모늄(), 설파네트리륨다이온(), 하이드로늄(H3O+), 메틸리움다이온()을 생성한다.[64][19] 이 외 일산화 질소, 이산화 질소, 아산화 질소, 황화 수소, 메테인, 아세틸렌, 에틸렌, 에테인, 메탄올, 아세토니트릴 등과의 분자와도 반응하나 분해시킨 후 많은 양의 에너지를 방출한다.[64][19]
4. 3. 기타 수소-헬륨 화합물
수소화 헬륨 이온에 헬륨 원자가 추가로 결합하여 He₂H⁺, He₃H⁺, He₄H⁺, He₅H⁺, He₆H⁺ 등 더 큰 분자를 만들 수 있다.[64] 육수소화 헬륨 이온(He₆H⁺)은 부분적으로 안정하다.[64][19]수소화 이헬륨 이온(He₂H⁺)은 수소 분자와 헬륨 이량체를 반응시켜 생성할 수 있다.
: He₂⁺ + H₂ → He₂H⁺ + H
이 분자는 중앙에 수소가 있는 선형의 이온 분자이다.[64][19]
이수소화 헬륨 이온(HeH₂⁺)은 2가 마이크로파 분광법을 통해 발견되었다.[79][20] 이수소화 헬륨 이온의 계산된 결합 에너지는 25.1 kJ/mol이며, 삼수소화 헬륨 이온(HeH₃⁺)의 결합 에너지는 0.42 kJ/mol이다.[65][21]
5. 자연 상태의 발견
수소화 헬륨 이온은 트리튬화 수소 분자 HT 또는 삼중수소 분자 T2의 붕괴에 의해 생성된다. 이는 베타 붕괴의 반동으로 여기되지만, 분자는 결합된 상태를 유지한다.[51]
HeH+는 우주에서 생성된 최초의 화합물로 여겨지며,[52] 초기 우주의 화학을 이해하는 데 기본적인 중요성을 가진다.[53] 원시 물질로 만들어진 별은 HeH+를 포함해야 하며, 이는 별 형성 및 이후의 진화에 영향을 미친다. 특히, 강력한 쌍극자 모멘트는 이를 금속 함량이 0인 별의 불투명도와 연관시킨다.[52] HeH+는 헬륨이 풍부한 백색 왜성의 대기의 중요한 구성 요소로도 여겨진다. 이는 가스의 불투명도를 높여 별의 냉각을 늦춘다.[54]
HeH+가 발견될 가능성이 있는 여러 장소가 제안되었으며, 냉각된 헬륨 별,[52] HII 영역,[55] 수축된 행성상 성운(특히 NGC 7027) 등이 있다.[40] 가장 두드러진 스펙트럼선 중 하나의 파장이 149.14 µm로, 이것이 CH의 스펙트럼선의 더블렛과 일치한다는 사실로 인해, HeH+를 분광학적으로 검출하기가 어렵다.[52]
HeH+는 항성풍의 충격이나 초신성, 젊은 별에서 뿜어져 나오는 물질에 의한 밀집된 성간 구름 속의 해리성 충격 후에 냉각된 가스에서 생성된다. 충격 속도가 약 90 km/s보다 클 경우, 검출하기에 충분한 양이 생성될 수 있다. HeH+를 발견할 수 있다면, 이 이온으로부터의 복사는 충격의 유용한 추적자가 될 수 있다.[56]
5. 1. 삼중수소 붕괴
수소화 헬륨 이온은 HT 분자나 트리튬 이량체 T2에서 삼중수소가 베타 붕괴되면서 발생한다.[66][35][51] 붕괴 과정에서 영향으로 들뜸 상태가 되긴 하나 분자가 둘이 결합 상태로 그대로 남아있는다.[66]5. 2. 성간매질
수소화 헬륨 이온(HeH+)은 대폭발 핵합성 직후 우주에서 최초로 합성된 화합물로 추정되며[80][10][52] 초기 우주의 화학적 성질을 이해하는데 매우 중요하다.[67][36][53] 우주 대부분의 원자는 거의 다 수소와 헬륨만 있었기 때문이다. 원시 물질에서 형성된 항성에는 수소화 헬륨 이온이 있어야 하며, 항성 형성과 진화에 영향을 준다.[80][52] 특히 이 화합물의 강력한 쌍극자 모멘트는 금속함량이 0인 항성의 불투명도에 영향을 준다고 추정하고 있다.[80][10][52] 이 외에도 헬륨이 많은 백색왜성에 수소화 헬륨 이온이 대기에 꽤 많이 있을 것으로 추정되며 이 이온이 기체 불투명도를 높이고 별의 냉각속도를 느리게 만들 것으로 추정한다.[68][37][54]수소화 헬륨 이온을 찾을 수 있을 것으로 추정되는 곳은 차가운 헬륨성,[80][10][52] 전리수소영역,[69][39][55] NGC 7027와 같이[62][2] 밀도가 높은 행성상성운 등이다.[62][40] 1970년대부터 성간 공간에 존재한다고 오랫동안 추측되어 왔으며,[34] 2019년 4월 NGC 7027 성운에서 최초로 발견되었다는 보고가 학술지 ''네이처''에 게재되었다.[4]
이 외에도 항성풍, 초신성, 젊은 별에서 유출한 물질 등의 고밀도의 성간구름이 해리 충격을 일으키고 냉각되면서 생겨나는 것으로 추정된다.[70][38][56] 충격의 속도가 90km/s 이상일 경우 감지할 수 있을 만큼 많은 양의 수소화 헬륨 이온이 생길 것으로 생각된다. 충격에서 이온을 발견할 수 있을 경우 수소화 헬륨 이온을 가지고 충격파를 잡아낼 수 있는 중요한 단서를 얻을 수 있다.[70][38][56]
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