हीलियम हाइड्राइड आयन

हीलियम हाइड्राइड आयन या हाइड्रिडोहेलियम(1+) आयन या हेलोनियम आयन और धनायन (धनावेशित आयन) है जिसका रासायनिक सूत्र HeH+ है। इसमें हाइड्रोजन परमाणु के साथ हीलियम परमाणु सहसंयोजक बंध होता है, जिसमें इलेक्ट्रॉन हटा दिया जाता है। इसे प्रोटोनेटेड हीलियम के रूप में भी देखा जा सकता है। यह सबसे हल्का हेटेरोन्यूक्लियर अणु आयन है, और माना जाता है कि यह महा विस्फोट के पश्चात ब्रह्मांड में बना पहला यौगिक है।

इस प्रकार आयन पहली बार 1925 में प्रयोगशाला में उत्पादित किया गया था। यह पृथक्करण में स्थिर है, किन्तु अत्यधिक प्रतिक्रियाशील है, और इसे थोक में तैयार नहीं किया जा सकता है, क्योंकि यह किसी भी अन्य अणु के साथ प्रतिक्रिया करेगा जिसके साथ यह संपर्क में आता है। सबसे सशक्त ज्ञात अम्ल के रूप में जाना जाता है - फ्लोरोएन्टिमोनिक अम्ल से भी अधिक सशक्त - अंतरतारकीय माध्यम में इसकी घटना का अनुमान 1970 के दशक से लगाया गया था, और अंततः अप्रैल 2019 में इन्फ्रारेड खगोल विज्ञान के लिए एयरबोर्न स्ट्रैटोस्फेरिक वेधशाला का उपयोग करके इसका पता लगाया गया था।

भौतिक गुण
हीलियम हाइड्रोजन आयन आणविक हाइड्रोजन के साथ आइसोइलेक्ट्रॉनिकिटी है. इस प्रकार डाइहाइड्रोजन धनायन के विपरीत, हीलियम हाइड्राइड आयन में स्थायी द्विध्रुव या आणविक द्विध्रुव होता है, जो इसके स्पेक्ट्रोस्कोपिक लक्षण वर्णन को सरल बनाता है। HeH+ का परिकलित द्विध्रुव आघूर्ण 2.26 या 2.84 D है। आयन में इलेक्ट्रॉन घनत्व हाइड्रोजन की तुलना में हीलियम नाभिक के आसपास अधिक होता है। 80% इलेक्ट्रॉन आवेश हाइड्रोजन नाभिक की तुलना में हीलियम नाभिक के अधिक निकट होता है। स्पेक्ट्रोस्कोपिक पहचान में बाधा आती है, क्योंकि इसकी सबसे प्रमुख वर्णक्रमीय रेखाओं में से एक, 149.14 माइक्रोमीटर या μm पर, मिथाइलिडाइन रेडिकल ⫶ CH से संबंधित वर्णक्रमीय रेखाओं के दोहरे से मेल खाती है। आयन में सहसंयोजक बंधन की लंबाई 0.772 एंग्स्ट्रॉम या Å है।

आइसोटोपोलोग्स
हीलियम हाइड्राइड आयन में छह अपेक्षाकृत स्थिर आइसोटोपोलॉग होते हैं, जो दो तत्वों के आइसोटोप में भिन्न होते हैं, और इसलिए कुल परमाणु द्रव्यमान संख्या (A) और दो नाभिकों में न्यूट्रॉन (N) की कुल संख्या में भिन्न होते हैं:
 * [^{3}He^{1}H](+) या [^{3}HeH](+) (A = 4, N = 1)
 * [^{3}He^{2}H](+) या [^{3}HeD](+) (A = 5, N = 2)
 * [^{3}He^{3}H](+) या [^{3}HeT](+) (A = 6, N = 3; रेडियोधर्मी)
 * [^{4}He^{1}H](+) या [^{4}HeH](+) (A = 5, N = 2)
 * [^{4}He^{2}H](+) या [^{4}HeD](+) (A = 6, N = 3)
 * [^{4}He^{3}H](+) या [^{4}HeT](+) (A = 7, N = 4; रेडियोधर्मी)

इन सभी में तीन प्रोटॉन और दो इलेक्ट्रॉन होते हैं। पहले तीन अणु क्रमशः HT = ^{1}H^{3}H DT= ^{2}H^{3}H, और T2 = ^{3}H2 में ट्रिटियम के रेडियोधर्मी क्षय से उत्पन्न होते हैं। अंतिम तीन को हीलियम-4 की उपस्थिति में H2 के उपयुक्त समस्थानिक को आयनित करके उत्पन्न किया जा सकता है।

हीलियम हाइड्राइड आयन, डाइहाइड्रोजन आयन के निम्नलिखित समस्थानिक H2(+), और ट्राइहाइड्रोजन धनायन का H3(+) समान कुल परमाणु द्रव्यमान संख्या A है:
 * [^{3}HeH](+), [D2](+), [TH](+), [DH2](+) (A = 4)
 * [^{3}HeD](+), [^{4}HeH](+), [DT](+), [TH2](+), [D2H](+) (A = 5)
 * [^{3}HeT](+), [^{4}HeD](+), [T2](+), [TDH](+), [D3](+) (A = 6)
 * [^{4}HeT](+), [TD2](+), [T2H](+) (A = 7)

चूंकि, उपरोक्त प्रत्येक पंक्ति में द्रव्यमान समान नहीं हैं, क्योंकि नाभिक में बंधन ऊर्जाएँ भिन्न हैं।

सामान्य अणु
हीलियम हाइड्राइड आयन के विपरीत, सामान्य हीलियम हाइड्राइड अणु HeH ग्राउंडेड अवस्था में स्थिर नहीं है। चूंकि, यह उत्तेजक (HeH*) के रूप में उत्तेजित अवस्था में उपस्थित होता है, और इसका स्पेक्ट्रम पहली बार 1980 के दशक के मध्य में देखा गया था।  सामान्य अणु गमेलिन डेटाबेस में पहली प्रविष्टि है।

तैयारी
चूँकि HeH+ को किसी भी उपयोगी रूप में संग्रहीत नहीं किया जा सकता है, इसलिए इसे यथास्थान बनाकर इसके रसायन विज्ञान का अध्ययन किया जाना चाहिए।

उदाहरण के लिए, कार्बनिक पदार्थों के साथ प्रतिक्रियाओं का अध्ययन वांछित कार्बनिक यौगिक का ट्रिटियम व्युत्पन्न बनाकर किया जा सकता है। इस प्रकार ट्रिटियम के 3He+ तक क्षय होने के पश्चात् हाइड्रोजन परमाणु के निष्कर्षण से 3HeH+ प्राप्त होता है जो फिर कार्बनिक पदार्थ से घिरा होता है और इसके स्थान में प्रतिक्रिया करता है।

अम्लता
इस प्रकार HeH+ को संघनित चरण में तैयार नहीं किया जा सकता है, क्योंकि यह किसी भी आयन, अणु या परमाणु के संपर्क में आने पर प्रोटोनेशन करता है। इसे ऑक्सीजन या O2 को प्रोटोनेट करते हुए दिखाया गया है, अमोनिया या NH3, सल्फर डाइऑक्साइड या SO2, जल या H2O, और कार्बन डाइऑक्साइड या CO2,डाइऑक्सीडेनिलियम या, अमोनियम या , सल्फैनेट्रियमडायोन या , हाइड्रोनियम या H3O+, और मिथाइलियमडायोन या क्रमश अन्य अणु जैसे नाइट्रिक ऑक्साइड, नाइट्रोजन डाइऑक्साइड, नाइट्रस ऑक्साइड, हाइड्रोजन सल्फाइड, मीथेन, एसिटिलीन, ईथीलीन, एटैन, मेथनॉल और एसीटोनिट्राइल प्रतिक्रिया करते हैं किन्तु बड़ी मात्रा में ऊर्जा उत्पन्न होने के कारण टूट जाते हैं।

वास्तव में, HeH+ सबसे सशक्त ज्ञात अम्ल है, जिसकी प्रोटॉन बन्धुता 177.8 kJ/mol है। हेस के नियम का उपयोग करके काल्पनिक जलीय अम्लता का अनुमान लगाया जा सकता है:



(a) Li+(aq) → Li+(g) के समान होने का अनुमान है। (b) घुलनशीलता डेटा से अनुमानित है।
 * HeH+(g)
 * H+(g)
 * + He(g)
 * align=right|+178 kJ/mol
 * HeH+(aq)
 * HeH+(g)
 * align=right|+973 kJ/mol
 * (a)
 * H+(g)
 * H+(aq)
 * align=right|−1530 kJ/mol
 * - style="border-bottom:2px solid black"
 * He(g)
 * He(aq)
 * align=right|+19 kJ/mol
 * (b)
 * HeH+(aq)
 * H+(aq)
 * + He(aq)
 * align=right|−360 kJ/mol
 * }
 * - style="border-bottom:2px solid black"
 * He(g)
 * He(aq)
 * align=right|+19 kJ/mol
 * (b)
 * HeH+(aq)
 * H+(aq)
 * + He(aq)
 * align=right|−360 kJ/mol
 * }
 * H+(aq)
 * + He(aq)
 * align=right|−360 kJ/mol
 * }
 * }
 * }

−360 kJ/mol के पृथक्करण का एक मुक्त ऊर्जा परिवर्तन 298 K पर −63 के pKa के समान है।

अन्य हीलियम-हाइड्रोजन आयन
अतिरिक्त हीलियम परमाणु HeH+ से जुड़कर He2H+, He3H+, He4H+, He5H+ और He6H+ जैसे बड़े समूह बना सकते हैं।

डाइहेलियम हाइड्राइड धनायन He2H+ आणविक हाइड्रोजन के साथ डाइहीलियम धनायन की प्रतिक्रिया से बनता है:
 * + H2 → He2H+ + H

यह केंद्र में हाइड्रोजन के साथ रैखिक आयन है। हेक्साहेलियम हाइड्राइड आयन, He6H+, विशेष रूप से स्थिर है।

इस प्रकार अन्य हीलियम हाइड्राइड आयन ज्ञात हैं या सैद्धांतिक रूप से उनका अध्ययन किया गया है। हीलियम डाइहाइड्राइड आयन, या डाइहाइड्रिडोहेलियम (1+),, माइक्रोवेव स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके देखा गया है। इसकी परिकलित बंधन ऊर्जा 25.1 kJ/mol है, जबकि ट्राइहाइड्रिडोहेलियम(1+), , की गणना की गई बाइंडिंग ऊर्जा 0.42 kJ/mol है।

आयनीकरण प्रयोगों में खोज
हाइड्रिडोहेलियम (1+), विशेष रूप से [^{4}He^{1}H](+), का पहली बार अप्रत्यक्ष रूप से 1925 में टी. आर. हॉगनेस और ई. जी. लून द्वारा पता लगाया गया था। वह, और  जैसे हाइड्रोजन आयनों के निर्माण का अध्ययन करने के लिए, ज्ञात ऊर्जा के प्रोटॉन को हाइड्रोजन और हीलियम के एक विरल मिश्रण में इंजेक्ट कर रहे थे। उन्होंने देखा कि   के समान बीम ऊर्जा (16 eV) पर दिखाई दिया था, और इसकी सांद्रता अन्य दो आयनों की तुलना में दाब के साथ बहुत अधिक बढ़ गई थी। इन आंकड़ों से, उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि  आयन एक प्रोटॉन को उन अणुओं में स्थानांतरित कर रहे थे जिनसे वह टकराए थे, जिसमें हीलियम भी सम्मिलित था।

इस प्रकार 1933 में, के. बैनब्रिज ने ड्यूटेरियम के परमाणु द्रव्यमान का स्पष्ट माप प्राप्त करने के लिए आयनों [^{4}He^{1}H](+) (हीलियम हाइड्राइड आयन) और [^{2}H2^{1}H](+) (दो बार-ड्यूटेरेटेड ट्राइहाइड्रोजन आयन) के द्रव्यमान की तुलना करने के लिए मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग किया था। इस प्रकार हीलियम के सापेक्ष दोनों आयनों में 3 प्रोटॉन, 2 न्यूट्रॉन और 2 इलेक्ट्रॉन हैं। उन्होंने [^{4}He^{2}H](+) (हीलियम ड्यूटेराइड आयन) की तुलना [^{2}H3](+) (ट्राइड्यूटेरियम आयन) दोनों 3 प्रोटॉन और 3 न्यूट्रॉन से की थी।

प्रारंभिक सैद्धांतिक अध्ययन
क्वांटम मैकेनिकल सिद्धांत द्वारा HeH+ आयन (विशेष रूप से [^{4}He^{1}H](+)) की संरचना की गणना करने का पहला प्रयास 1936 में जे. मध्य द्वारा किया गया था। इस प्रकार अगले दशकों में उत्तम संगणनाएँ विकीर्ण रूप से प्रकाशित हुईं थी।

रसायन विज्ञान में ट्रिटियम क्षय विधियाँ
एच. श्वार्ट्ज ने 1955 में देखा कि ट्रिटियम अणु T2 = ^{3}H2 के क्षय से उच्च संभावना के साथ हीलियम हाइड्राइड आयन [^{3}HeT](+) उत्पन्न होना चाहिए।

इस प्रकार 1963 में, फुल्वियो कैकेस या एफ. रोम के सैपिएन्ज़ा विश्वविद्यालय में कैकेस ने कार्बनिक रेडिकल (रसायन विज्ञान) और कार्बेनियम आयनों को तैयार करने और अध्ययन करने के लिए क्षय तकनीक की कल्पना की थी। उस तकनीक के एक प्रकार में, मेथोनियम केशन जैसी विदेशी प्रजातियाँ कार्बनिक यौगिकों [^{3}HeT](+) के साथ प्रतिक्रिया करके उत्पन्न की जाती हैं जो T2 के क्षय से उत्पन्न होता है जिसे वांछित अभिकर्मकों के साथ मिलाया जाता है। इस प्रकार [HeH](+) के रसायन विज्ञान के बारे में हम जो कुछ भी जानते हैं वह इस तकनीक के माध्यम से आया है।

न्युट्रीनो द्रव्यमान प्रयोगों के लिए निहितार्थ
1980 में, मॉस्को में सैद्धांतिक और प्रायोगिक भौतिकी संस्थान प्रयोगशाला में वी. लुबिमोव (हुबिमोव) ने ट्रिटियम के β क्षय के ऊर्जा स्पेक्ट्रम का विश्लेषण करके, न्यूट्रिनो के लिए हल्के महत्वपूर्ण रेस्ट द्रव्यमान (30 ± 16) ईवी का पता लगाने का प्रमाणित किया था। यह प्रमाणित विवादित था, और विभिन्न अन्य समूहों ने आणविक ट्रिटियम के क्षय का अध्ययन करके इसकी जांच की थी यह ज्ञात था कि उस क्षय से निकलने वाली कुछ ऊर्जा [^{3}HeT](+) को क्षय उत्पादों के उत्तेजना में परिवर्तित कर दिया जाता है ; और यह घटना उस प्रयोग में त्रुटि का महत्वपूर्ण स्रोत हो सकती है। इस अवलोकन ने उन मापों की अनिश्चितता को कम करने के लिए उस आयन की अपेक्षित ऊर्जा स्थितियों की स्पष्ट गणना करने के लिए विभिन्न प्रयासों को प्रेरित किया था। तब से विभिन्न लोगों ने गणनाओं में सुधार किया है, और अब गणना और प्रयोगात्मक गुणों के मध्य अधिक अच्छा समझौता है; आइसोटोपोलॉग्स सहित [^{4}He^{2}H](+), [^{3}He^{1}H](+), और [^{3}He^{2}H](+) है.

वर्णक्रमीय पूर्वानुमान और संसूचन
1956 में, एम. केंटवेल ने सैद्धांतिक रूप से पूर्वानुमान किया था कि उस आयन के कंपन का स्पेक्ट्रम अवरक्त में देखने योग्य होना चाहिए; और ड्यूटेरियम और सामान्य हाइड्रोजन आइसोटोपोलॉग्स ([^{3}HeD](+) और [^{3}He^{1}H](+)) का स्पेक्ट्रा दृश्य प्रकाश के निकट होना चाहिए और इसलिए निरीक्षण करना सरल होना चाहिए। इस प्रकार [^{4}He^{1}H](+) के स्पेक्ट्रम का संसूचन 1979 में डी. टॉलिवर और अन्य लोगों द्वारा 1,700 और 1,900 सेमी−1 के मध्य तरंग संख्या पर लगाया गया था। 1982 में, पी. बर्नथ और टी. अमानो ने 2,164 और 3,158 तरंगों प्रति सेमी के मध्य नौ अवरक्त रेखाओं का पता लगाया था।

इंटरस्टेलर स्पेस
इस प्रकार HeH+ के बारे में 1970 के दशक से लंबे समय से अनुमान लगाया जाता रहा है कि वह अंतरतारकीय माध्यम में उपस्थित है। नेबुला एनजीसी 7027 में इसका पहला पता अप्रैल 2019 में नेचर जर्नल में प्रकाशित लेख में बताया गया था।

ट्रिटियम के क्षय से
हीलियम हाइड्राइड आयन एचटी अणु या ट्रिटियम अणु T2 में ट्रिटियम के क्षय के समय बनता है। यद्यपि बीटा क्षय से पुनरावृत्ति से उत्साहित होकर, अणु साथ बंधे रहते हैं।

अंतरतारकीय माध्यम
ऐसा माना जाता है कि यह ब्रह्मांड में बनने वाला पहला यौगिक है, और प्रारंभिक ब्रह्मांड के रसायन विज्ञान को समझने में मौलिक महत्व रखता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि बिग बैंग न्यूक्लियोसिंथेसिस में हाइड्रोजन और हीलियम लगभग एकमात्र प्रकार के परमाणु बने थे। मौलिक पदार्थ से बने तारों में HeH+ होना चाहिए, जो उनके गठन और उसके पश्चात के विकास को प्रभावित कर सकता है। विशेष रूप से, इसका सशक्त आणविक द्विध्रुवीय क्षण इसे धात्विकता या सितारे या शून्य-धात्विकता तारों की अपारदर्शिता के लिए प्रासंगिक बनाता है। इस प्रकार HeH+ को हीलियम युक्त सफेद बौनों के वायुमंडल का महत्वपूर्ण घटक भी माना जाता है, जहां यह गैस की अपारदर्शिता को बढ़ाता है और तारे को अधिक धीरे-धीरे ठंडा करने का कारण बनता है।

HeH+ घने अंतरतारकीय पश्चात्लों में विघटनकारी झटकों के पीछे ठंडी गैस का निर्माण हो सकता है, जैसे कि तारकीय वायु, सुपरनोवा और युवा तारों से बाहर निकलने वाली पदार्थ के कारण होने वाले झटके है। यदि झटके की गति लगभग से अधिक हो 90 km/s, पता लगाने के लिए पर्याप्त बड़ी मात्रा का गठन किया जा सकता है। यदि पता चला, तो HeH से उत्सर्जन+तब सदमे का उपयोगी पता लगाने वाला होगा।

घने अंतरतारकीय बादलों में विघटनकारी झटकों के पीछे ठंडी गैस में HeH+ का निर्माण हो सकता है, जैसे कि तारकीय वायु, सुपरनोवा और युवा सितारों से बाहर निकलने वाली पदार्थ के कारण होने वाले झटके है। यदि झटके की गति लगभग 90 km/s से अधिक है तो पता लगाने के लिए पर्याप्त मात्रा में झटका लगाया जा सकता है। यदि HeH+ से उत्सर्जन का पता लगाया जाता है तो यह झटके का उपयोगी पता लगाने वाला होता है।[37]

इस प्रकार संभावित स्थानों के रूप में विभिन्न स्थानों का सुझाव दिया गया था जहां HeH+ का पता लगाया जा सकता है। इनमें ठंडे हीलियम तारे, एच II क्षेत्र, और घने ग्रह नीहारिकाएं, जैसे एनजीसी 7027, सम्मिलित हैं, जहां, अप्रैल 2019 में, HeH+ का पता चलने की सूचना मिली थी।

यह भी देखें

 * डाइहाइड्रोजन धनायन
 * ट्राइहाइड्रोजन धनायन