수소화 헬륨 이온

수소화 헬륨 이온(Helium hydride ion, HeH⁺) 또는 히드로헬륨(1+) 이온(hydrohelium(1+) ion)은 수소와 헬륨이 전자를 잃어버리면서 공유 결합하여 이루어지는 화합물이다. 이종핵 분자 이온 중에서는 가장 가벼우며 수소 분자 이온에 이어 두 번째로 가벼운 이온 화합물이다.

수소화 헬륨 이온

이름
체계명 Hydridohelium(1+)[1]
식별자
3D 모델 (JSmol)	Interactive image
ChEBI	CHEBI:33688 CHEBI:33689 neutral excimer
ChemSpider	21106447 예
그멜린 레퍼런스	2
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID801018818
InChI InChI=1S/HHe/h1H/q+1 예 Key: HSFAAVLNFOAYQX-UHFFFAOYSA-N 예
SMILES [HeH+]
성질
화학식	HeH+
몰 질량	5.01054 g·mol−1
짝염기	헬륨
달리 명시된 경우를 제외하면, 표준상태(25 °C [77 °F], 100 kPa)에서 물질의 정보가 제공됨. 정보상자 각주

수소화 헬륨 이온은 기체 상태의 헬륨 원자가 양성자와 반응하여 생길 수 있으며 1925년 처음으로 실험실에서 합성하였다. 이 화합물은 고립 상태에서는 안정하지만 반응성이 극도로 높고, 산으로서 잘 언급되지는 않지만 알려진 화합물 중 가장 강한 산성을 띤다. 1970년대서부터 성간 매질에 자연적으로 존재할 것으로 추정했으며^[2] 2019년 4월 자연 상태에서 존재함을 처음으로 발견하였다.^[3]

물리적 속성

수소화 헬륨 이온은 수소 분자와 등전자성을 가진다.^[4] H+
2와는 달리 영구적인 분자 쌍극자 모멘트를 가지고 있어 분광학적으로 분별하기가 더 쉽다.^[5] 계산으로 유도한 수소화 헬륨 이온의 쌍극자 모멘트는 대략 2.26 또는 2.84 D이다.^[6] 하지만 149.14 µm에서 가장 두드러지게 보이는 스펙트럼선은 메틸리딘 라디칼 ⫶CH의 스펙트럼 이중선과 같다.^[7]

이온 내 두 원자 사이의 결합 길이는 0.772 Å이다.^[8]

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.^[9][10][11] 중성 수소-헬륨 분자는 그멜린 데이터베이스의 첫 번째로 수록된 분자이다.^[12]

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.

산성

수소화 헬륨 이온은 접촉하는 모든 원자, 분자, 음이온과 반응하여 양성자를 내놓는 양성자화 반응을 하기 때문에 응집물질 상태로 준비시킬 수 없다. 수소화 헬륨 이온은 O₂, NH₃, SO₂, H₂O, CO₂와 반응하여 양성자화되어 O₂H⁺, NH₄⁺, H₃O⁺, HCO₂⁺를 만들어낸다.^[13] 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.^[13]

수소화 헬륨 이온은 알려진 가장 강력한 산으로, 양성자 친화성이 177.8 kJ/mol에 달한다.^[14] 가설상의 수용성 산도는 헤스의 법칙을 통해 다음과 같이 구할 수 있다.

HeH+(g)	→	H+(g)	+ He(g)	+178 kJ/mol	[14]
HeH+(aq)	→	HeH+(g)		+973 kJ/mol	[내용주 1]
H+(g)	→	H+(aq)		−1530 kJ/mol
He(g)	→	He(aq)		+19 kJ/mol	[내용주 2]
HeH+(aq)	→	H+(aq)	+ He(aq)	−360 kJ/mol

열역학적 자유 에너지 −360 kJ/mol은 pK_a -63과 동일하다.

기타 수소-헬륨 화합물

수소화 헬륨 이온에 헬륨 원자를 추가로 붙여 He₂H⁺, He₃H⁺, He₄H⁺, He₅H⁺, He₆H⁺와 같은 더 큰 분자를 만들 수 있다.^[13] 육수소화 헬륨 이온 He₆H⁺은 부분적으로 안정하다.^[13]

수소화 이헬륨 이온(He₂H⁺)은 수소 분자와 헬륨 이량체를 반응시켜 생성할 수 있다.

He+
2 + H₂ → He₂H⁺ + H

이 분자는 중앙에 수소가 있는 선형의 이온 분자이다.^[13]

기타 수소화 헬륨 이온 분자들은 알려졌거나 이론적으로 연구되었다. 이수소화 헬륨 이온(Helium dihydride ion) 또는 디하이드로 헬륨(1+)(dihydridohelium(1+)) HeH+
2라 불리는 분자는 2가 마이크로파 분광법을 통해 발견하였다.^[15] 이수소화 헬륨 이온의 계산된 결합 에너지는 25.1 kJ/mol이며 삼수소화 헬륨 이온, 트리하이드로 헬륨(1+)(trihydridohelium(1+)) HeH+
3의 결합 에너지는 0.42 kJ/mol이다.^[16]

역사

최초의 수소화 헬륨 이온은 1925년 T. R. 오그네스와 E. G. 룬이 간접적으로 처음 발견하였다. 이들 연구팀은 H+
, H+
2, H+
3와 같은 수소 이온의 형성을 연구하기 위해 수소와 헬륨이 혼합된 기체에 양성자를 넣으며 에너지를 가했다. 연구팀은 H+
2이 합성되는 에너지와 같은 16 eV에서 H+
3를 감지하였으며 이 이온은 압력에 따라 다른 두 이온보다 더 빠르게 증가했다. 이 데이터에서 연구팀은 H+
2 이온이 헬륨을 포함한 여러 분자와 충돌하여 양성자가 옮겨간 것이라고 추정했다.^[4]

오랫동안 수소화 헬륨 이온은 성간매질에 존재할 것이라고 추정했다.^[2] 2019년 4월 성운 NGC 7027에서 이를 발견함으로써 자연상에서 수소화 헬륨 이온이 존재한다는 것이 증명되었다.^[3]

자연 상태의 발견

트리튬 붕괴

수소화 헬륨 이온은 HT 분자나 트리튬 이량체 T₂에서 삼중수소가 붕괴되면서 발생한다. 베타 붕괴 과정에서 영향으로 들뜸 상태가 되긴 하나 분자가 둘이 결합 상태로 그대로 남아있는다.^[17]

성간매질에서의 존재

수소화 헬륨 이온은 우주에서 최초로 합성된 화합물로 추정되며^[7] 초기 우주의 화학적 성질을 이해하는데 매우 중요하다.^[18] 대폭발 핵합성 직후 우주 대부분의 원자는 거의 다 수소와 헬륨만 있었기 때문이다. 원시 물질에서 형성된 항성에는 수소화 헬륨 이온이 있어야 하며, 항성 형성과 진화에 영향을 준다. 특히 이 화합물의 강력한 쌍극자 모멘트는 금속함량이 0인 항성의 불투명도에 영향을 준다고 추정하고 있다.^[7] 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.^[19]

우주 내에서 수소화 헬륨 이온을 찾을 수 있을 것으로 추정되는 곳은 여러 곳이 있었다. 그중에는 차가운 헬륨성,^[7] 전리수소영역,^[20] NGC 7027와 같이^[18] 밀도가 높은 행성상성운 등이 있다.^[20]

이 외에도 항성풍, 초신성, 젊은 별에서 유출한 물질 등의 고밀도의 성간구름이 해리 충격을 일으키고 냉각되면서 생겨나는 것으로 추정된다. 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.^[21]

같이 보기

• 수소 분자 이온