헬륨 이합체

Helium dimer

헬륨 이합체
Helium-dimer-2D-model.png
이름
기타 이름
이헬륨
식별자
3D 모델(JSmol)
체비
48
  • [1]: InChI=1S/He2/c1-2
    키: GHVQTHCLRQIinu-UHFF Faoysa-N
  • [헤헤] [헤헤헤]
특성.
그는2
몰 질량 8.0052 g/140
외모 무색 가스
열화학
1.1×10kcal−5/표준
관련 화합물
관련 반데르발스 분자
 리허 니히2 그는3
달리 명시되지 않은 한 표준 상태(25°C[77°F], 100kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공됩니다.
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헬륨 이합체는 두 개의 헬륨 [2]원자로 구성된 He 공식의2 반데르발스 분자입니다.이 화학 물질은 가장 큰 이원자 분자, 즉 두 개의 원자가 결합되어 있는 분자입니다.이 이합체를 함께 고정시키는 결합은 너무 약해서 분자가 회전하거나 너무 많이 진동하면 깨질 것이다.그것은 극저온에서만 존재할 수 있다.

두 개의 들뜬 헬륨 원자는 엑시머라고 불리는 형태로 서로 결합할 수도 있다.이것은 1912년에 처음 발견된 띠를 포함하는 헬륨 스펙트럼에서 발견되었다.흥분 상태를 뜻하는2* *와 함께 He로 표기된 이것은 알려진 최초의 Rydberg [3]분자입니다.

또한 여러 개의 디헬륨 이온이 존재하며, 순 전하가 음전하, 양전하, 양전하가 양전하이다.두 헬륨 원자는 플라렌의 케이지에 결합하지 않고 함께 갇힐 수 있다.

분자

분자 궤도 이론에 따르면, 그는2 존재하지 않아야 하며, 원자 사이에 화학적 결합이 형성될 수 없다.그러나 액체 헬륨의 존재로 알 수 있듯이 반데르발스 힘은 헬륨 원자 사이에 존재하며, 원자 사이의 일정한 거리에서는 반발력을 초과한다.그래서 반데르발스 힘에 의해 결합된 두 개의 헬륨 원자로 구성된 분자가 [4]존재할 수 있습니다.이 분자의 존재는 1930년에 [5]이미 제안되었다.

그는2 매우 긴 결합 [4]길이 때문에 지면 상태에 있을 때 두 원자의 가장 큰 분자로 알려져 있다.He2 분자는 약 5200 pm (= 52 öngström)의 원자간 거리가 크다.이것은 로-비브론 들뜸이 없는 이원자 분자 중 가장 크다.결합 에너지는 약 1.3mK, 10eV−7[6][7][8] 또는 1.1×10kcal−5/mol에 [9]불과합니다.그 결합은 수소 [10]분자의 공유 결합보다 5000배 약하다.

이합체 내의 두 헬륨 원자는 에너지 63.86 eV의 단일 광자에 의해 이온화될 수 있습니다.이 이중 이온화를 위한 제안된 메커니즘은 광자가 한 원자에서 전자를 방출하고 그 전자가 다른 헬륨 원자와 충돌하여 이온화시키는 것입니다.[11]그리고 두 헬륨 양이온이 같은 속도로 서로 밀어내면서 이합체가 폭발합니다.[11]

반데르발스 힘에 의해 결합된 이헬륨 분자는 1928년 [12]존 클라크 슬레이터에 의해 처음 제안되었다.

형성

헬륨 이합체는 헬륨 가스가 가스 [2]빔의 노즐을 통과할 때 팽창하고 냉각될 때 소량 형성될 수 있습니다.그는 오직 동위원소 He만이 이렇게 분자를 형성할 수 있다; HeHe와33 HeHe는 안정적인 결합 [6]상태를 가지고 있지 않기 때문에 존재하지 않는다.가스빔에 형성되는 이합체의 양은 약 [11]1퍼센트입니다.

분자 이온

그는2+ 절반의 공유 결합으로 결합된 이온이다.헬륨 방전 상태에서 형성될 수 있습니다.전자와 재결합하여 전자 들뜬2 He(AΩ)3+u 엑시머 [13]분자를 형성합니다.이 두 분자는 모두 훨씬 작고 원자간 거리도 더 넓다.그는2+ N, Ar, Xe, O2, CO와22 반응하여 양이온과 중성 헬륨 [14]원자를 형성한다.

헬륨 디케이션 이합체22+ 그는 극도로 거부감이 강하며 835 kJ/mol [15]정도로 분해될 때 많은 에너지를 방출할 것이다.이온의 동적 안정성은 라이너스 [16]폴링에 의해 예측되었다.33.2 kcal/mol의 에너지 장벽은 즉각적인 붕괴를 방지합니다.이 이온은 수소 [17][18]분자와 등전자적이다.그는22+ 이중 양전하를 가진 가장 작은 분자입니다.질량분광학으로 [15][19]검출할 수 있다.

음의 헬륨 이합체2− He는 전이성이 있으며 1984년 배, 코기올라, 피터슨에 의해 세슘 [20]증기를 통과하면서2+ 발견되었다.그 후, H. H. Michels는 이론적으로 그 존재를 확인하고 He의2− [21]δg 상태가 He의2 AΩ 상태에 상대적으로 결합되어 있다고 결론지었다.계산된 전자 친화력은 He[4P∘] 이온의− 0.077 eV에 비해 0.233 eV이다.He는2− 약 350μsec의 장수명 5/2g 성분과 약 10μsec의 훨씬 짧은 수명 3/2g, 1/2g 성분을 통해 분해됩니다.δg 상태는 1µ1µ2µ2µ2의2gugu 전자 구성을 가지며, 전자 친화력 E는 0.18±0.03 eV이며, 수명은 135±15 μsec입니다. v=0 진동 상태만이 이 장수명의 [22]원인이 됩니다.

분자 헬륨 음이온은 또한 에너지 레벨이 22 eV보다 높은 전자에 의해 들뜬 액체 헬륨에서도 발견됩니다.이것은 먼저 액체 He를 투과시켜 1.2 eV를 취한 후 He 원자 전자를 P레벨로 들뜨게 하여 19.8 eV를 발생시킨다.그러면 전자는 다른 헬륨 원자 및 들뜬 헬륨 원자와 결합하여 He를 형성할2− 수 있습니다.헬륨2− 원자를 물리치고 그 주위에 보이드가 생기죠그것은 액체 [23]헬륨의 표면으로 이동하는 경향이 있다.

엑시머

정상적인 헬륨 원자에서는 2개의 전자가 1s 오비탈에서 발견됩니다.그러나 충분한 에너지가 추가되면 하나의 전자가 더 높은 에너지 수준으로 상승할 수 있습니다.이 고에너지 전자는 원자가 전자가 될 수 있고, 1s 오비탈에 남아있는 전자는 코어 전자입니다.두 개의 들뜬 헬륨 원자는 공유 결합과 반응하여 디헬륨이라고 불리는 분자를 형성할 수 있는데, 이 분자는 1마이크로초에서 [3]1초 정도 지속됩니다.2S3 상태의 들뜬 헬륨 원자는 최대 1시간 지속되며 알칼리 금속 원자처럼 반응한다.[24]

디헬륨이 존재한다는 최초의 단서는 1900년 W에서 발견되었다.Heuse는 헬륨 방전에서 대역 스펙트럼을 관찰했다.그러나 스펙트럼의 특성에 대한 정보는 공개되지 않았다.독일의 E. Goldstein과 런던의 W. E. Curtis는 독립적으로 [25][26]1913년에 스펙트럼의 세부사항을 발표했다.커티스는 제1차 세계 대전에서 병역에 소집되었고, 알프레드 파울러에 의해 스펙트럼 연구가 계속되었다.파울러는 이중 헤드 밴드가 라인 [27]스펙트럼에서 주계열과 확산계열과 유사한 두 가지 시퀀스로 분류되었음을 인식했다.

방출 대역 스펙트럼은 빨간색으로 저하되는 다수의 대역을 나타냅니다. 즉, 선이 얇아지고 스펙트럼이 긴 파장을 향해 약해집니다.5732Ω의 녹색 밴드 헤드를 가진 밴드 중 하나만 바이올렛 쪽으로 저하됩니다.기타 강한 밴드헤드는 6400(빨간색), 4649, 4626, 4546, 4157.8, 3777, 3677, 3665, 3356.5 및 3348.5Ω입니다.스펙트럼에는 [25]헤드리스 대역과 추가 라인도 있습니다.헤드가 5133과 [27]5108인 약한 띠가 있습니다.

원자가 전자가 2s 3s 또는 3d 오비탈이면 δu 상태가 되고, 2p 3p 또는 4p이면 δg 상태가 [28]된다.접지 상태는 XΩ1g+ [29]입니다.

He의2 가장 낮은 세 개의 세 개의 상태는 AΩ,3u BΩ 3g[30]및 CΩ으로 지정됩니다.진동이 없는 AΩ 상태(v=0)는 다른 상태나 불활성 가스 소멸기의 [3]수명보다 훨씬 긴 18초의 긴 준안정 수명을 가진다.모든 전자가 헬륨 상태에 [3]대해 S 궤도에 있기 때문에 AΩ 상태는 전자 궤도 각운동량이 없다는 설명이다.

He의 하위2 누운 싱글릿 상태는 AΩ1u, BΩ1g 및 CΩ이다1g.[31]엑시머 분자는 반데르발스 결합 헬륨 이합체보다 훨씬 작고 단단하게 결합되어 있다.AΩ1u 상태에서 결합 에너지는 약 2.5 eV이며 원자의 간격은 103.9 pm이다.CΩ1g 상태는 결합 에너지가 0.643 eV이고 원자 간 거리는 109.1 [28]pm이다.이 두 상태는 최대 300pm 정도의 반발 거리 범위를 가지며, 들뜬 원자가 접근하면 에너지 [28]장벽을 극복해야 한다.싱글트 상태1+u A'는 라이프 타임이 나노초밖에 [32]되지 않아 매우 불안정합니다.

He2 엑시머의 스펙트럼에는 서로 다른 회전 속도 및 진동 상태 간의 천이와 서로 다른 전자 천이로 인해 많은 수의 라인으로 인한 대역이 포함되어 있습니다.회선은 P, Q 및 R 브랜치로 그룹화할 수 있습니다.그러나 짝수 회전 수준에는 두 핵이 스핀 0이기 때문에 Q개의 분기선이 없습니다.껍데기 수가 최대 [33]25개인 Rydberg 상태를 포함하여 분자의 수많은 전자 상태가 연구되었습니다.

헬륨 방전 램프는 헬륨 분자로부터 진공 자외선을 방출합니다.고에너지 양성자가 헬륨 가스에 닿으면 AΩ1u 상태에서 He의2 들뜬 고진동 분자가 지면 [34]상태로 붕괴되어 약 600Ω의 UV 방출도 발생한다.들뜬 헬륨 분자의 자외선은 펄스 방전 이온화 검출기(PDHID)에 사용되며, 혼합 [35]가스의 함유량은 10억ppm 이하입니다.

홉필드 연속체는 헬륨 [34]분자의 광분해로 형성되는 파장 600~1000Ω의 자외선 대역이다.

헬륨 분자의 형성 메커니즘 중 하나는 우선 헬륨 원자가 2S1 궤도에서 하나의 전자와 함께 들뜨는 것이다.이 들뜬 원자는 다른 두 개의 비 들뜬 헬륨 원자와 3개의 신체 결합에서 만나 반응하여 최대 진동을 가진 AΩ 상태 분자와1u 헬륨 [34]원자를 형성합니다.

5중주 상태의+g 헬륨 분자는 He(2S31) 상태의 두 스핀 편광 헬륨 원자의 반응에 의해 형성될 수 있다.이 분자는 20eV의 높은 에너지 레벨을 가지고 있다.허용되는 최고 진동 레벨은 v=14입니다.[36]

액체 헬륨에서 엑시머는 용매 기포를 형성한다.d상태에서 He분자는*
2 대기압에서 반경 12.7Ω의 기포로 둘러싸여 있다.압력이 24기압으로 증가하면 버블 반경이 10.8Ω으로 축소됩니다.이러한 버블 크기 변화는 형광 대역의 [37]변화를 일으킵니다.

주 K 전자 각운동량 δ 전자 스핀 S 훈드 커플링 케이스 유형 에너지 해리 에너지 eV 길이 pm 진동 수준
Aς1u 1,3,5,7 싱글 2.5 103.9
BΩ1g 싱글
CΩ1g 0,2,4,6 싱글
Aσ 1,3,5,7 세쌍둥이
BΩ 세쌍둥이
CΩ 0,2,4,6 0 1 b 세쌍둥이
5Σ+g 5인조

자기 응축

매우 강한 자기장(약 750,000 테슬라)과 낮은 온도에서 헬륨 원자는 끌어당겨 선형 사슬을 형성할 수 있습니다.이것은 백색왜성과 [38]중성자별에서 발생할 수 있다.결합 길이와 해리 에너지는 모두 [39]자기장이 증가함에 따라 증가한다.

사용하다

디헬륨 엑시머는 헬륨 방전 램프의 중요한 구성 요소입니다.

이헬륨 이온의 두 번째 용도는 저온 플라즈마를 이용한 주변 이온화 기술이다.이 헬륨 원자는 들뜬 뒤 결합해 이헬륨 이온을 생성한다.그는2+ 계속해서 공중에서 N과2 반응하여 N을 만든다2+.이 이온들은 시료 표면과 반응하여 질량분석에 사용되는 양이온을 만든다.헬륨 이합체가 포함된 플라즈마는 온도가 30°C까지 낮을 수 있으며,[40] 이는 샘플의 열 손상을 줄여줍니다.

클러스터

그는2 MgHe와 [41]CaHe와2 같은2 더 큰 클러스터를 형성하는 다른 원자들과 함께 반데르발스 화합물을 형성하는 것으로 보여졌습니다.

헬륨-4 삼량체(4He)는3 3개의 헬륨 원자로 구성돼 있으며, 이는 에피모프 [42][43]상태일 것으로 예측된다.이것은 2015년에 [44]실험적으로 확인되었습니다.

케이지

C와84 C를 포함한70 두 개의 헬륨 원자가 더 큰 플라렌 안에 들어갈 수 있습니다.이들은 작은 편이를 가진 He의 핵자기공명과 질량분석에 의해 검출될 수 있다.밀폐된84 헬륨을 가진 C는 20% He84@C를2 포함할 수 있는 반면78, C는 1076%, C는 8%이다.더 큰 공동은 더 많은 [45]원자를 수용할 가능성이 높다.두 헬륨 원자가 작은 케이지 안에 서로 가까이 놓여 있어도 화학 [10][46]결합은 없다.C60 플라렌 케이지에 두 개의 He 원자가 존재하는 것은 플라렌의 [47]반응성에 작은 영향을 미칠 것으로 예측된다.그 효과는 내면체 헬륨 원자에서 전자가 빠져나와 약간의 양의 부분 전하를 주어 He를 생성하는데2δ+, He는 충전되지 않은 헬륨 [48]원자보다 강한 결합을 가지고 있다.그러나 뢰딘의 정의에 따르면 결합이 존재한다.[49]

C60 케이지 안에 있는 두 개의 헬륨 원자는 1.979Ω만큼 떨어져 있으며 헬륨 원자와 탄소 케이지 사이의 거리는 2.507Ω이다.전하 전달은 각 헬륨 원자에 0.011 전자 전하 단위를 제공합니다.He-He [49]쌍에는 10개 이상의 진동 레벨이 있어야 합니다.

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