El helio es el gas noble más pequeño y liviano y uno de los elementos menos reactivos, por lo que comúnmente se consideró que los compuestos de helio no pueden existir en absoluto, o al menos en condiciones normales. [1] La primera energía de ionización del helio de 24,57 eV es la más alta de cualquier elemento. [2] El helio tiene una capa completa de electrones , y en esta forma el átomo no acepta fácilmente ningún electrón adicional ni se une a nada para formar compuestos covalentes . La afinidad electrónica es de 0.080 eV, que es muy cercana a cero. [2] El átomo de helio es pequeño con el radio de la capa externa de electrones de 0,29 Å.[2] El helio es un átomo muy duro con una dureza Pearson ( ácidos y bases duros y blandos (Lewis) ) de 12,3 eV. [3] Tiene la polarizabilidad más bajade cualquier tipo de átomo. Sin embargo , existen fuerzas de van der Waals muy débilesentre el helio y otros átomos. Esta fuerza puede exceder las fuerzas repulsivas, por lo que a temperaturas extremadamente bajas, el helio puede formar moléculas de van der Waals .
Las fuerzas de repulsión entre el helio y otros átomos pueden superarse mediante altas presiones . Se ha demostrado que el helio forma un compuesto cristalino con sodio bajo presión. Dentro de los planetas se pueden encontrar presiones adecuadas para forzar al helio a formar combinaciones sólidas. Los clatratos también son posibles con helio a presión en hielo y otras moléculas pequeñas como el nitrógeno.
Otras formas de hacer que el helio sea reactivo son: convertirlo en un ión o excitar un electrón a un nivel más alto, lo que le permite formar excímeros . El helio ionizado (He + ), también conocido como He II, es un material de muy alta energía capaz de extraer un electrón de cualquier otro átomo. He + tiene una configuración electrónica como el hidrógeno, por lo que, además de ser iónico, puede formar enlaces covalentes. Los excímeros no duran mucho, ya que la molécula que contiene el átomo de helio de mayor nivel de energía puede decaer rápidamente a un estado fundamental repulsivo, donde los dos átomos que forman el enlace se repelen. Sin embargo, en algunos lugares, como las enanas blancas de helio , las condiciones pueden ser adecuadas para formar rápidamente átomos de helio excitados. El átomo de helio excitado tiene un electrón de 1s promovido a 2s. Esto requiere 1.900 kilojulios (450 kcal) por gramo de helio, que puede ser suministrado por impacto de electrones o descarga eléctrica . [4] El estado del electrón excitado 2s se parece al del átomo de litio .
Fases sólidas conocidas
La mayoría de las combinaciones sólidas de helio con otras sustancias requieren alta presión. El helio no se une a los demás átomos, pero las sustancias pueden tener una estructura cristalina bien definida.
Heluro de disodio
El heluro de disodio (Na 2 He) es un compuesto de helio y sodio que es estable a altas presiones por encima de 113 gigapascales (1,130,000 bar). El heluro de disodio se predijo por primera vez [5] utilizando el código USPEX y se sintetizó por primera vez en 2016. [2] [6] Se predijo que sería termodinámicamente estable sobre 160 GPa y dinámicamente estable sobre 100 GPa. Na 2 Tiene una estructura cristalina cúbica , parecida a la fluorita . A 300 GPa, el borde de una celda unitaria del cristal tiene a = 3.95 Å . Cada celda unitaria contiene cuatro átomos de helio en el centro de las caras y esquinas del cubo, y ocho átomos de sodio en coordenadas a un cuarto de celda de cada cara. Los electrones dobles (2e - ) se colocan en cada borde y en el centro de la celda unitaria. [7] Cada par de electrones tiene pares de espines. La presencia de estos electrones aislados hace que este sea un electruro . Los átomos de helio no participan en ningún enlace. Sin embargo, los pares de electrones se pueden considerar como un enlace de dos electrones de ocho centros . [2] Se prevé que el heluro de disodio sea un aislante y transparente. [2]
Silicatos
Se observó por primera vez que el helio entraba en un silicato en 2007. El mineral melanoflogita es un clatrato de sílice natural ( clathrasil ) que normalmente contiene dióxido de carbono, metano o nitrógeno. Cuando se comprime con helio, se forma un nuevo clatrato. Este tiene un módulo de volumen mucho más alto y resiste la amorfización. El helio se absorbió alrededor de 17 GPa, agrandando la celda unitaria, y se emitió nuevamente cuando la presión cayó a 11 GPa. [8]
La cristobalita He II (SiO 2 He) es estable entre 1,7 y 6,4 GPa. Tiene un grupo espacial romboédrico R-3c con dimensiones de celda unitaria a = 9.080 Å, α = 31.809 ° y V = 184.77 Å 3 a 4 GPa. [9]
La cristobalita He I (SiO 2 He) se puede formar bajo presiones de helio superiores a 6,4 GPa. Tiene un grupo espacial monoclínico P2 1 / C con dimensiones de celda unitaria a = 8.062 Å, b = 4.797 Å, c = 9.491 Å, β = 120.43 ° y V = 316.47 Å 3 a 10 GPa. [10]
El helio penetra en la sílice fundida a alta presión, lo que reduce su compresibilidad. [11]
La chibaita , otro clatrato de sílice natural, tiene su estructura penetrada por helio a presiones superiores a 2,5 GPa. La presencia de hidrocarburos invitados no evita que esto suceda. El neón requiere una presión más alta, 4,5 GPa para penetrar y, a diferencia del helio, muestra histéresis. [12] Las zeolitas Linde-tipo A también se vuelven menos compresibles cuando son penetradas por helio entre 2 y 7 GPa. [13]
Compuesto de inclusión de helio arsenolito
El compuesto de inclusión de arsenolito y helio As 4 O 6 · 2He es estable a presiones superiores a 3 GPa y hasta al menos 30 GPa. [14] La arsenolita es uno de los minerales más suaves y comprimibles. [15] El helio previene la amorfización que de otro modo ocurriría en el arsenolito bajo presión. [16] El sólido que contiene helio es más fuerte y más duro, con una velocidad de sonido más alta que el arsenolito simple. [17] El helio que se incluye en el cristal provoca una tensión más uniforme en las moléculas de As 4 O 6 . No se forma ningún enlace real entre el arsénico y el helio a pesar de los pares de electrones disponibles. [18] La difusión de helio en arsenolita es un proceso lento que toma días a una presión de alrededor de 3 GPa. Sin embargo, si la presión sobre el cristal es demasiado alta (13 GPa), no se produce la penetración de helio, ya que los espacios entre las moléculas de arsenolito se vuelven demasiado pequeños. [18] El neón no se difunde en arsenolita. [18]
Perovskitas
El helio se puede insertar en los sitios A de perovskitas de expansión térmica negativa que, de lo contrario, tienen defectos en el sitio A. A temperatura ambiente y 350 MPa, se incluye helio en CaZrF 6 para expandir su celda unitaria produciendo HeCaZrF 6 . Aproximadamente la mitad de los sitios A están llenos de átomos de helio. Esta sustancia pierde helio durante varios minutos al despresurizarse a temperatura ambiente, pero por debajo de 130 K retiene helio cuando se despresuriza. [19] A 1 GPa, todos los sitios A están llenos de helio, produciendo He 2 CaZrF 6 . [20]
Formatos
Bajo presión, el helio penetra en formiato de hierro y dimetilamonio (CH 3 ) 2 NH 2 Fe (HCOO) 3 . Afecta a esto provocando un cambio a un estado ordenado monoclínico a una presión más baja (alrededor de 4 GPa) que si no hubiera helio. [21]
Molécula pequeña
Gallina
2)
11es un compuesto de van der Waals con cristales hexagonales. A 10 GPa, la celda unitaria de 22 átomos de nitrógeno tiene un volumen de celda unitaria de 558 Å 3 y aproximadamente 512 Å 3 a 15 GPa. Estos tamaños son alrededor de 10 Å 3 más pequeños que la cantidad equivalente de nitrógeno sólido δ-N 2 a estas presiones. La sustancia se fabrica comprimiendo nitrógeno y helio en una celda de yunque de diamante. [22]
NeHe 2 tiene una estructura cristalina de tipo MgZn 2 hexagonal a 13,7 GPa. La celda unitaria tiene dimensiones a = 4.066 Å, c = 6.616 Å; ya 21,8 GPa, a = 3,885 Å, c = 6,328 Å. Hay cuatro átomos en cada celda unitaria. Se funde a 12,8 GPa y 296 K, [23] estable a más de 90 GPa. [24]
Clatratos
Los clatratos de helio solo se forman bajo presión. Con hielo II a presiones entre 280 y 480 MPa, existe un hidrato de helio sólido con una relación He: H 2 O de 1: 6. [25] Otro clatrato con una proporción de agua a helio de 2.833 se ha elaborado en la estructura de clatrato SII. Tiene dos jaulas diferentes en el hielo, la pequeña puede contener un átomo de helio y la grande puede contener cuatro átomos. Se produjo a partir del clatrato de neón que perdió su neón y luego se reemplazó por helio a 141 K y 150 MPa [26]. Otros hidratos de helio con hielo-I h , hielo-I c 1: 1 y hielo-I c 2: 1 Él a H 2 relación O haberse predicho. [25] Estos podrían existir en planetas como Neptuno o Urano. [26] Los hidratos de clatrato de helio deberían ser similares al clatrato de hidrógeno debido al tamaño similar de la molécula de hidrógeno. [26]
El helio puede entrar en cristales de otros sólidos moleculares bajo presión para alterar su estructura y propiedades. Por ejemplo, con clorpropamida por encima de 0,3 GPa en helio cambia a una estructura monoclínica, y aún otra forma estructural a 1,0 GPa. [27]
Fulleritas
El helio puede formar compuestos de intercalación con las fulleritas , incluido el buckminsterfullereno C 60 y C 70 . En C 60 sólido hay espacios entre las bolas de C 60 , ya sea de forma tetraédrica u octaédrica. El helio puede difundirse en la fullerita sólida incluso a la presión de una atmósfera. El helio ingresa a la red en dos etapas. La primera etapa rápida toma un par de días y expande la red en un 0.16% (es decir, 2.2 pm) llenando los sitios octaédricos más grandes. La segunda etapa tarda miles de horas en absorber más helio y expande la red dos veces más (0,32%) llenando los sitios tetraédricos. Sin embargo, el C 60 • 3He sólido no es estable y pierde helio en una escala de tiempo de 340 horas cuando no está bajo una atmósfera de helio. Cuando la fullerita intercalada con helio se enfría, tiene una transición de fase de orientación que es 10 K más alta que para el sólido puro C 60 . El cambio discontinuo real de volumen en ese punto es menor, pero hay cambios más rápidos cerca de la temperatura de transición, quizás debido a la ocupación variable de los vacíos por el helio. [28] [29]
Endoédrico
Los átomos de helio pueden quedar atrapados dentro de jaulas moleculares como los fullerenos. He @ C 60 , He @ C 70 , He 2 @C 60 y He 2 @C 70 se han fabricado utilizando helio comprimido y fullerenos. [30] Usando presión bruta y calor, el rendimiento es bastante bajo, por debajo del 1%. Sin embargo, rompiendo y reformando la bola de carbono, se pueden obtener concentraciones mucho más altas de He @ C 60 o He @ C 70 . La cromatografía líquida de alto rendimiento puede concentrar el material que contiene helio. También se han realizado HeN @ C60 y HeN @ C70. Estos tienen una simetría más baja debido a que los dos átomos están atrapados juntos en la misma cavidad. Esto provoca el ensanchamiento de la línea ESR. [31]
El dodecaedrano puede atrapar helio de un haz de iones de helio para producir He @ C 20 H 20 . La presión interna de la bola diminuta es equivalente a 4 × 10 26 atmósferas. [32]
Otras jaulas, como las moléculas inorgánicas u orgánicas, también pueden atrapar helio, por ejemplo, C 8 He con He dentro de un cubo, [33] o He @ Mo 6 Cl 8 F 6 . [34]
Condensados de helio de impurezas
Los condensados de helio de impureza (IHC) (o geles de helio de impureza) [35] se depositan como un gel similar a la nieve en el helio líquido cuando varios átomos o moléculas se absorben en la superficie del helio superfluido. Los átomos pueden incluir H, N, Na, Ne, Ar, Kr, Xe, álcalis o alcalinotérreos. Las impurezas forman grupos de nanopartículas recubiertos con helio localizado sostenido por la fuerza de van der Waals. Los átomos de helio no pueden acercarse o alejarse de la impureza, pero quizás puedan moverse perpendicularmente alrededor de la impureza. [36] La nieve como un sólido está estructurada como un aerogel . Cuando se incluyen átomos libres en el condensado, se puede lograr una alta densidad de energía, hasta 860 J cm −1 o 5 kJ g −1 . [37] Estos condensados se investigaron primero como posible combustible para cohetes. [38] Las mezclas reciben una notación que incluye corchetes de modo que [N] / [He] representa una impureza de un átomo de nitrógeno en el helio.
El helio de impureza de nitrógeno atómico [N] / [He] se produce cuando una descarga de radiofrecuencia en una mezcla de nitrógeno y helio se absorbe en helio superfluido, que puede tener hasta un 4% de átomos de nitrógeno incluidos. [39] La sustancia se asemeja a la nieve que se desmorona y se condensa y se deposita a partir del helio líquido. [39] También contiene proporciones variables de moléculas de N 2 . [39] Esta sustancia es un sólido de alta energía, con tanta potencia como los explosivos convencionales. Cuando se calienta por encima de 2,19 K (el punto lambda del helio), el sólido se descompone y explota. [39] Esta sustancia no es un verdadero compuesto, sino más bien una solución sólida. [36] EB Gordon y col. sugirió que este material puede existir en 1974. [39] Las capas de helio localizadas alrededor de un átomo individual se denominan esferas de van der Waals. [39] Sin embargo, la idea de que los átomos de nitrógeno están dispersos en el helio ha sido reemplazada por el concepto de átomos de nitrógeno unidos a la superficie de grupos de moléculas de nitrógeno. La densidad de energía del sólido se puede aumentar presionándolo. [40]
Otros condensados de helio de impurezas de gas inerte también se pueden hacer a partir de un haz de gas en helio superfluido. [41] [Ne] / [He] se descompone a 8.5 K con liberación de calor y formación de neón sólido. Su composición se aproxima a NeHe 16 .
[Ar] / [He] contiene de 40 a 60 átomos de helio por átomo de argón. [42]
[Kr] / [He] contiene 40-60 átomos de helio por átomo de criptón [42] y es estable hasta 20 K. [37]
[Xe] / [He] contiene de 40 a 60 átomos de helio por átomo de xenón. [42]
[N 2 ] / [He] contiene 12-17 átomos de He por molécula de N 2 . [42] Es estable hasta 13 K [37]
[N] / [Ne] / [He] Formado a partir de un haz de gas generado a partir de una descarga eléctrica de radiofrecuencia en mezclas de neón, nitrógeno y helio soplado en el superfluido He. El gas inerte adicional estabiliza más átomos de nitrógeno. Se descompone alrededor de 7 K con un destello de luz azul verde. [41] Los átomos de nitrógeno excitados en el estado N ( 2 D) pueden tener una duración relativamente larga, hasta horas, y emitir una luminiscencia verde. [41]
[H 2 ] / [He] o [D 2 ] / [He] cuando se absorbe dihidrógeno o dideuterio en helio superfluido, se forman filamentos. Cuando se forman suficientes de estos, el sólido se parece al algodón, más que a la nieve. [43] Uso de H 2 resultados en el producto flotante y detener aún más la producción, pero con deuterio, o una mezcla de medio-medio, se puede hundir y se acumulan. [37] El hidrógeno atómico en la impureza de helio se desintegra con bastante rapidez debido al efecto túnel cuántico (H + H → H 2 ). El deuterio atómico se dimeriza más lentamente (D + D → D 2 ), pero reacciona muy rápidamente con cualquier diprotio presente. (D + H 2 → HD + H). [37] Los sólidos de hidrógeno atómico se estabilizan aún más con otros gases nobles como el criptón. [44] [45] [46] Bajar las temperaturas al rango de milikelvin puede prolongar la vida útil de los condensados de hidrógeno atómico. [38] Se están investigando condensados que contienen agua pesada o deuterio para la producción de neutrones ultrafríos . [35] Otros geles de impurezas que se han investigado para producir neutrones ultrafríos incluyen CD 4 (metano deuterado) y C 2 D 5 OD. (etanol deuterado) [47]
El condensado de agua y helio [H 2 O] / [He] contiene grupos de agua de varios nanómetros de diámetro y poros de 8 a 800 nm. [48]
El helio de impureza de oxígeno O 2 contiene grupos de oxígeno sólidos de 1 a 100 nm. [49]
Helio sólido de impureza
La introducción de impurezas en el helio sólido produce un sólido azul que se derrite a una temperatura más alta que el He puro. [50] Para el cesio, la absorción tiene un pico a 750 nm, y para el rubidio, la absorción máxima es a 640 nm. Estos se deben a grupos de metales con diámetros de aproximadamente 10 nm. Sin embargo, la baja concentración de racimos en esta sustancia no debería ser suficiente para solidificar el helio ya que la cantidad de metal en el sólido es menos de una mil millonésima parte de la de los sólidos condensados de helio de impureza, y el helio líquido no "moja" el cesio metálico. El sólido posiblemente se deba a las bolas de nieve de helio unidas a los iones Cs + (o Rb + ). [50] La bola de nieve es una capa que contiene átomos de helio solidificados en posiciones particulares alrededor del ion. Los átomos de helio están inmovilizados en la bola de nieve por polarización. Los átomos metálicos neutros en el helio líquido también están rodeados por una burbuja causada por la repulsión de electrones. Tienen tamaños típicos que van desde 10 a 14 Å de diámetro. [51] Los electrones libres en el helio líquido están encerrados en una burbuja de 17 Å de diámetro. A una presión de 25 atmósferas, una burbuja de electrones se reduce a 11 Å. [52]
Solución sólida
El helio puede disolverse hasta cierto punto en metal caliente, con una concentración proporcional a la presión. A presión atmosférica, el bismuto a 500 ° C puede absorber 1 parte en mil millones; a 649 ° C, el litio puede tomar 5 partes por mil millones; ya 482 ° C el potasio puede tomar 2,9 partes por millón (todas las fracciones de átomos). [53] En el níquel puede haber 1 de cada 10 10 átomos, y en el oro 1 de cada 10 7 . Se supone que cuanto más alto es el punto de fusión, menos helio se puede disolver. Sin embargo, cuando se apaga un metal líquido, se pueden dejar disueltas concentraciones más altas de helio. El acero líquido enfriado puede tener una parte por millón de helio. Para introducir un átomo de helio en una red metálica, se debe formar un agujero. La energía para hacer ese agujero en el metal es básicamente el calor de la solución. [54]
Nanocables
Los átomos de oro, cobre, rubidio, cesio o bario evaporados en helio líquido forman estructuras en forma de telaraña. [55] El renio produce nanocopos. El molibdeno, el tungsteno y el niobio producen nanocables delgados con diámetros de 20, 25 y 40 Å. [56] Cuando el platino, el molibdeno o el tungsteno se evaporan en helio líquido, primero se forman nanoclusters, acompañados de un pulso de emisión térmica a alta temperatura, por encima del punto de fusión de los metales. En el helio superfluido, estos grupos migran a los vórtices y se sueldan para producir nanocables una vez que los grupos son en su mayoría sólidos. En helio líquido a temperaturas más altas, se forman grupos más grandes de metal en lugar de alambres. Los vapores metálicos solo pueden penetrar unos 0,5 mm en el helio líquido. [57] El indio, el estaño, el plomo y el níquel producen nanocables de aproximadamente 80 Å de diámetro. [58] Estos mismos cuatro metales también producen esferas lisas de aproximadamente 2 μm de diámetro que explotan cuando se examinan con un microscopio electrónico. [59] El cobre, la permalleación y el bismuto también forman nanocables. [60]
Cristal iónico bidimensional
Los iones de helio II (He + ) en el helio líquido cuando son atraídos por un campo eléctrico pueden formar un cristal bidimensional a temperaturas por debajo de 100 mK. Hay alrededor de medio billón de iones por metro cuadrado justo debajo de la superficie del helio. Los electrones libres flotan sobre la superficie del helio. [61]
Moléculas de van der Waals conocidas
- LiHe [62]
- Dihelio
- Trihelio
- Ag 3 Él [63]
- HeCO está débilmente limitado por las fuerzas de van der Waals. Es potencialmente importante en medios interestelares fríos ya que tanto el CO como el He son comunes. [64]
- CF 4 Él y CCl 4 Él existen. [sesenta y cinco]
- El HeI 2 se puede formar mediante la expansión supersónica de helio a alta presión con trazas de yodo en el vacío. Fue la primera molécula triatómica de helio de van der Waals conocida. Puede detectarse por fluorescencia. HeI 2 tiene un espectro óptico similar al I 2 , excepto que las bandas y líneas se desplazan para formar dos series adicionales. Una serie se desplaza hacia el azul entre 2,4 y 4,0 cm -1 , y la otra entre 9,4 y 9,9 cm -1 . Las dos series pueden deberse a diferentes cantidades de vibración en el enlace He-I. Las líneas son estrechas, lo que indica que las moléculas en su estado vibratorio excitado tienen una vida útil prolongada. [66]
- Pueden formarse moléculas de Na 2 He en la superficie de las nanogotas de helio. [67]
- NOHe [68]
Iones conocidos
El helio tiene la energía de ionización más alta, por lo que un ion He + eliminará los electrones de cualquier otro átomo o molécula neutro. Sin embargo, también puede unirse al ion producido. El ion He + se puede estudiar en gas o en helio líquido. Su química no es del todo trivial. Por ejemplo, He + puede reaccionar con SF 6 para producir SF+
6 o SF+
5y flúor atómico. [69]
Racimos ionizados
Él+
2Linus Pauling predijo su existencia en 1933. Fue descubierto al hacer espectroscopía de masas en helio ionizado. El catión dihelio está formado por un átomo de helio ionizado que se combina con un átomo de helio: He + + He → He+
2. [70]
El dihelio diionizado He2+
2( 1 Σ+
g) está en estado singlete. Rompe el2+
2→ He + + He + liberando 200 kcal / mol de energía. Tiene una barrera a la descomposición de 35 kcal / mol y una longitud de enlace de 0,70 Å. [70]
El catión trihelio Él+
3[71] está en equilibrio con He+
2entre 135 y 200.000 [72]
Hidruro de helio
El ion hidruro de helio HeH + se conoce desde 1925. [70] El ion dihelio protonado He 2 H + puede formarse cuando el catión dihelio reacciona con dihidrógeno: He+
2+ H 2 → He 2 H + + H. Se cree que es una molécula lineal. [70] Existen iones de grupos de helio protonados más grandes He n H + con n de 3 a 14. He 6 H + y He 13 H + parecen ser más comunes. Estos se pueden hacer haciendo reaccionar H+ 2o H+ 3con helio gaseoso. [70]
HeH 2+ es inestable en su estado fundamental. Pero cuando se excita al estado 2pσ, la molécula se une con una energía de 20 kcal / mol. Este ion doblemente cargado se ha obtenido acelerando el ion hidruro de helio a 900 keV y disparándolo en argón. Solo tiene una corta vida de 4 ns. [70]
H 2 He + se ha creado y podría ocurrir en la naturaleza a través de H 2 + He + → H 2 He + . [70]
H 3 Él+
nexiste para n de 1 a más de 30, y también hay grupos con más átomos de hidrógeno y helio. [73]
gas noble
Existen iones de racimo de gases nobles para diferentes gases nobles. Los iones de racimo cargados individualmente que contienen xenón existen con la fórmula He n Xe+
m, donde nym ≥ 1. [74]
Existen muchos He n Kr + diferentes con n = 1 a 17 al menos. Él n Kr+
2y He n Kr+
3también existen para muchos valores de n. Él 12 Kr+
2y él 12 Kr+
3Los iones son comunes. Estos iones de racimo cargados individualmente se pueden fabricar a partir de criptón en nanogotas de helio sujetas a radiación ultravioleta al vacío . [74]
El ion Ar + argón puede formar grupos de diferentes tamaños con helio que van desde HeAr + a He 50 Ar + , pero los grupos más comunes son He 12 Ar + y más pequeños. Estos cúmulos se forman capturando un átomo de argón en una nanogota de helio líquido y luego ionizándolo con electrones de alta velocidad. Se forma He + , que puede transferir carga al argón y luego formar un grupo de iones cuando el resto de la gota se evapora. [75]
NeHe+
npuede realizarse mediante fotoionización ultravioleta. Los clústeres solo contienen un átomo de neón. El número de átomos de helio n puede variar de 1 a 23, pero NeHe+
4 y NeHe+
8es más probable que se observen. [74]
También existen iones doblemente cargados de helio con átomos de gas noble, incluidos ArHe 2+ , KrHe 2+ y XeHe 2+ . [76]
Rieles
Se conocen varios iones metal-helio.
Los iones de heluro de metal alcalino son conocidos para todos los álcalis. El estado fundamental de la molécula para los iones diatómicos está en el estado X 1 Σ + . La longitud del enlace aumenta a medida que la tabla periódica desciende con longitudes de 1,96, 2,41, 2,90, 3,10 y 3,38 Å para Li + He, Na + He, K + He, Rb + He y Cs + He. Las energías de disociación son 1,9, 0,9, 0,5, 0,4 y 0,3 kcal / mol, mostrando disminuciones de la energía de enlace. Cuando la molécula se rompe, la carga positiva nunca está en el átomo de helio. [70]
Cuando hay muchos átomos de helio alrededor, los iones de metales alcalinos pueden atraer capas de átomos de helio. Los racimos se pueden formar a partir de la absorción de metal en gotitas de helio. Las gotitas dopadas se ionizan con electrones de alta velocidad. Porque los grupos de sodio aparecen con la fórmula Na + He n con n de 1 a 26. Na + He es el más común, pero Na + He 2 está muy cerca en abundancia. Na + He 8 es mucho más abundante que los racimos con más helio. N / A+
2También aparece n con n de 1 a 20. N / A+
3También se hace n con n pequeña. Para el potasio, K + He n con n hasta 28 y K+
2Se forma he n para n de 1 a 20. K + He y K + He 2 son comunes, y K + He 12 se forma un poco más comúnmente que otros grupos de tamaño similar. [77] Los cationes de cesio y rubidio también forman grupos con helio. [77]
Otros iones de metal-helio conocidos incluyen Cr + He, Co + He, Co + He 3 , Ni + He y Ni + He 3 . [70] PtHe 2+ ; [78] [79] formado por un alto campo eléctrico de la superficie de platino en helio, [76] VHe 2+ , [76] HeRh 2+ se descompone en un campo eléctrico de alta intensidad, [80] [81] Ta 2+ He, Mo 2+ He, W 2+ He, Re 2+ He, Ir 2+ He, Pt 2+ He 2 , W 3+ He 2 , W 3+ He 3 y W 3+ He 4 . [70]
No metales
Gallina+
2 puede formarse alrededor de 4 K a partir de un haz de iones de N+
2en gas helio frío. [82] La energía necesaria para romper la molécula es de 140 cm −1, que es bastante más fuerte que las moléculas neutras de van der Waals. Gallina+
2es lo suficientemente resistente como para tener varios estados de vibración, flexión y rotación. [83] He n N+
2con n de 2 a 6 se han obtenido disparando electrones a una mezcla de nitrógeno y helio en expansión supersónica. [70]
El C 60 He + se forma irradiando C 60 con electrones de 50 eV y luego dirigiendo los iones hacia el gas helio frío. C 60 He+
2también se conoce. [84]
Se ha detectado He (OH) + , aunque no se produce cuando se descompone HTO ( agua tritiada ). [70]
Él
norte(CO)+
Se ha detectado para valores de n de 1 a 12. También se han detectado CH 3 He + , OCHHe + y NH 2 He + . [70]
Young y Coggiola afirmaron fabricar HeC + mediante una descarga eléctrica de grafito en helio. [85]
Cuando el metano sustituido con tritio (CH 3 T) se desintegra, el CH 3 He + se produce en una cantidad muy pequeña. [86]
El catión helio formilo, HeHCO +, es una molécula lineal. Tiene una frecuencia vibratoria desplazada al rojo 12,4 cm −1 en comparación con HCO + . Puede considerarse como un intermedio de reacción de protonación desenergizada para HeH + + CO → HCO + + He. [83] El HeHCO + se puede producir mediante una expansión supersónica de una mezcla de gases de He, CO y H 2 , que es golpeada por un haz transversal de electrones. El CO y el H 2 solo se suministran al 1% del helio. [83]
El HeHN+
2la molécula es lineal. La longitud de enlace He-H es 1,72 Å. Tiene una banda de infrarrojos, debido al estiramiento BH, con una base a 3158,42 cm −1 . [83] [87] La energía de enlace es 378 cm -1 en el estado vibracional 000 y 431 cm -1 en el estado vibratorio 100. [88] He 2 HN+
2también se conoce. Un átomo de helio está unido a un hidrógeno y el otro está menos unido. [88]
H 2 O + , H 2 OSF 5 + , SF 5 + y SF 6 + pueden formar grupos con un número variable de átomos de helio. [89]
Excimer
El el*
2excimer es responsable del continuo de Hopfield. El helio también forma un excímero con bario, Ba + He * . [90]
Compuestos predichos
Sólidos predichos
Él (H
2O)
2Se predice que formará un sólido con estructura ortorrómbica Ibam . [91]
Al principio se afirmó que se había encontrado heliuro de hierro (FeHe), [92] pero el descubrimiento se clasificó como una aleación. [53] Los primeros estudios predijeron que el FeHe existe como un compuesto intersticial a alta presión, [93] quizás en núcleos planetarios densos , [94] o, como sugiere Freeman Dyson , en material de la corteza de estrellas de neutrones . [95] Cálculos recientes de la teoría funcional de la densidad predicen la formación de compuestos de FeHe a presiones superiores a 4 TPa, [96] lo que sugiere que estos compuestos podrían encontrarse dentro de planetas gigantes, estrellas enanas blancas o estrellas de neutrones.
Se predice que el Na 2 HeO tiene una estructura similar a la del Na 2 He, pero con átomos de oxígeno en la misma posición que el par de electrones, de modo que se convierte en O 2− . Sería estable de 13 a 106 GPa. [2] Esta sustancia podría ser una forma de almacenar helio en un sólido. [97]
La 2/3-x Li 3x TiO 3 He es una perovskita porosa de conducción de iones de litio que puede contener helio como un clatrato. [33]
Se prevé que el helio se incluya a presión en compuestos iónicos de la forma A 2 B o AB 2 . Estos compuestos podrían incluir Na 2 OHe, MgF 2 He (más de 107 GPa) y CaF 2 He (30-110 GPa). La estabilización se produce cuando el átomo de helio se coloca entre los dos iones cargados similares y los protege parcialmente entre sí. [98]
Se prevé que el helio forme un compuesto de inclusión con silicio, Si 2 He. Tiene una red hexagonal de átomos de silicio con átomos de helio alineados en los canales. Debe formarse cuando se inyecta silicio líquido con helio a más de 1 GPa y se enfría. [99]
Moléculas de van der Waals previstas
Se cree que el aducto de helio de óxido de berilio, HeBeO, está unido mucho más fuertemente que una molécula de van der Waals normal con aproximadamente 5 kcal / mol de energía de unión. El enlace se ve reforzado por una carga positiva inducida por un dipolo en el berilio y una vacante en el orbital σ en el berilio, donde se enfrenta al helio. [100] [101]
Las variaciones en el aducto de óxido de berilio incluyen HeBe 2 O 2 , [101] RNBeHe incluyendo HNBeHe, CH 3 NBeHe, [101] CH 4 − x NBeHe x , SiH 4 − x NBeHe x , NH 3 − x NBeHe x , PH 3− x NBeHe x , OH 2 − x NBeHe x , SH 2 − x NBeHe x , [102] y HeBe (C
5H
5)+
. [103]
Se prevé que el fluoruro de hidridohelio HHeF tenga una barrera de por vida de 157 femtosegundos 05 kcal / mol [ aclaración necesaria ] . [104] Se prevé que la vida útil del isotopómero de deuterio sea mucho más prolongada debido a la mayor dificultad de hacer túneles para el deuterio. [105] La metaestabilidad de esta molécula está programada debido a la atracción electrostática entre HHe + y F , lo que aumenta la barrera a una ruptura exotérmica. [100] Bajo presiones superiores a 23 GPa, el HHeF debería ser estable. [106]
Los cálculos para los fluoruros metálicos de acuñación incluyen HeCuF como estable, [104] HeAgF es inestable, [104] Se predice HeAuF, [104] y Ag 3 He con energía de enlace 1,4 cm −1 , [107] Ag 4 He energía de enlace 1,85 cm - 1 , Energía de enlace de Au 3 He 4,91 cm -1 , [107] y energía de enlace de Au 4 He 5,87 cm -1 [107]
Se predice HeNaO.
El cálculo de las moléculas de helio de van der Waals binarias incluye HeNe, Li 4 He energía de enlace 0,008 cm −1 , el Li 3 He no es estable. [107] Energía de enlace de Na 4 He 0,03 cm −1 , el Na 3 He no es estable. [107] Energía de enlace de Cu 3 He 0,90 cm −1 , [107] Energía de enlace de O 4 He 5,83 cm −1 , [107] Energía de enlace de S 4 He 6,34 cm −1 , [107] Energía de enlace de Se 4 He 6,50 cm - 1 , [107] F 4 He energía de enlace 3,85 cm -1 , [107] Cl 4 He energía de enlace 7,48 cm -1 , [107] Br 4 He energía de enlace 7,75 cm -1 , [107] I 4 He energía de enlace 8,40 cm -1 , [107] N 4 He energía de enlace 2.85 cm -1 , [107] P 4 He energía de enlace 3,42 cm -1 , [107] As 4 He energía de enlace 3,49 cm -1 , [107] Bi 4 He enlace energía 33,26 cm -1 , [107] Si 4 He energía de enlace 1,95 cm -1 , [107] Ge 4 He energía de enlace 2,08 cm -1 , [107] CaH 4 He energía de enlace 0,96 cm -1 , [107] NH 4 Energía de enlace de He 4,42 cm −1 , [107] MnH 4 Energía de enlace de He 1,01 cm −1 , [107] YbF 4 Energía de enlace de He 5,57 cm −1 [107] I4
2El o yo3
2Él, [108]
Se prevé que los enlaces se formen a níquel con helio como ligando débil en HeNiCO y HeNiN 2 . [100]
Se predice que (HeO) (LiF) 2 forma una molécula metaestable plana. [109] Se predice que el 1-tris (pirazolil) borato de berilio y el 1-tris (pirazolil) borato de magnesio se unirán al helio a bajas temperaturas. [110] También hay una predicción de un enlace He-O en una molécula con fluoruro de cesio o fluoruro de tetrametilamonio. [111]
Se predice que LiHe 2 estará en un estado Efimov cuando se excite. [112]
Iones predichos
Se han investigado teóricamente muchos iones para ver si podían existir. Se han estudiado casi todos los catión diatómico con helio. Para las indicaciones diatómicas, para la estabilidad, el segundo nivel de ionización del átomo asociado tiene que estar por debajo del primer nivel de ionización del helio, 24,6 eV. Para Li, F y Ne, el estado fundamental es repulsivo, por lo que no se formarán moléculas. Para N y O, la molécula se rompería para liberar He + . Sin embargo , se predice que HeBe 2+ , HeB 2+ y HeC 2+ serán estables. También se predice que los elementos de la segunda fila de Na a Cl tienen un ion HeX 2+ estable . [70]
Se predice que HeY 3+ es el ion diatómico con carga triple estable más ligero. [113] Otros iones posiblemente termoquímicamente estables incluyen HeZr 3+ , HeHf 3+ , HeLa 3+ , HeNd 3+ , HeCe 3+ , HePr 3+ , HePm 3+ , HeSm 3+ , HeGa 3+ , HeTb 3+ , HeDy 3+ , HeHo 3+ , HeEr 3+ , HeTm 3+ y HeLu 3+ donde el tercer punto de ionización está por debajo del helio. [70]
El ion de heluro de positronio PsHe + debe formarse cuando los positrones se encuentran con el helio. [114]
El ion fluoroheliato FHeO - debería ser estable, pero las sales como LiFHeO no lo son. [115] [71]
- HHeCO + teórico [116]
- Se predice que FHeS- será estable. [117]
- FHeBN -
- Es poco probable que exista HHeN 2+ . [118]
- (HHe + ) (OH 2 ) probablemente sea inestable. [119]
El catión de hidroheluro de litio HLiHe + es lineal en teoría. Este ion molecular podría existir con elementos de nucleosíntesis del Big Bang. [120] Otros cationes hydrohelide que existen en teoría son HNaHe + de sodio hydrohelide catión, HKHe + potasio hydrohelide catión, HBeHe 2+ berilio hydrohelide catión, HMgHe 2+ magnesio hydrohelide de cationes, y HCaHe 2+ catión hydrohelide calcio. [120]
Se predice que HeBeO + tiene una energía de enlace relativamente alta de 25 kcal mol -1 . [121]
- HCHe + [71]
- HCHeHe + [71]
Para los iones negativos, el aducto está muy débilmente unido. [70] Los estudiados incluyen HeCl - , HeBr - , HeF - , HeO - y HeS - . [71]
- FHeS - [71]
- FHeSe - [71]
- C 7 H 6 He 2+ [71]
- C 7 H 6 HeHe 2+ [71]
- FHeCC - [71]
- HHeOH+
2[71] - HHeBF + [71]
- HeNC + [71]
- HeNN + [71]
- HHeNN + H-He 0,765 Å Longitud de enlace He-N 2,077 Å. Barrera de descomposición de 2,3 kJ / mol. [71]
HHeNH+
3se predice que tiene una simetría C 3v y una longitud de enlace H-He de 0,768 Å y He-N 1,830. La barrera energética contra la descomposición en amonio es de 19,1 kJ / mol con una liberación de energía de 563,4 kJ / mol. La descomposición en ion hidrohelio y amonio libera 126,2 kJ / mol. [71]
Observaciones desacreditadas o improbables
Numerosos investigadores intentaron crear compuestos químicos de helio a principios del siglo XX. [122] En 1895 L. Troost y L. Ouvrard creían haber presenciado una reacción entre el vapor de magnesio y el helio (y también el argón ) debido a que el espectro de helio desaparecía del tubo por el que lo pasaban. [123] En 1906, W. Ternant Cooke afirmó haber notado una reacción de helio con vapor de cadmio o mercurio al observar un aumento en la densidad del vapor. El vapor de zinc no reaccionó con el helio. [124]
JJ Manley afirmó haber encontrado heluro de mercurio gaseoso HeHg en 1925 [125] [126] [127] HgHe 10 ; [128] [129] publicando los resultados en Nature , pero luego tuvo problemas para encontrar una composición estable y finalmente se rindió.
Entre 1925 y 1940 en Buenos Aires, Horacio Damianovich estudió varias combinaciones de metal-helio, incluyendo berilio (BeHe), hierro (FeHe), paladio (PdHe), platino (Pt 3 He), bismuto y uranio . [130] [92] Para producir estas sustancias, las descargas eléctricas impactaron helio en la superficie del metal. [4] Más tarde, estos fueron degradados del estado de compuestos al de aleaciones. [53]
Helide de platino, Pt 3 Fue desacreditado por JG Waller en 1960. [131]
El heluro de paladio, PdHe se forma a partir de la desintegración del tritio en el trituro de paladio , el helio ( 3 He) se retiene en el sólido como una solución.
Boomer reclamó el descubrimiento de helide de tungsteno WHe 2 como un sólido negro. [132] Se forma mediante una descarga eléctrica en helio con un filamento de tungsteno calentado. Cuando se disuelve en ácido nítrico o hidróxido de potasio , se forma ácido túngstico y el helio se escapa en burbujas. La descarga eléctrica tuvo una corriente de 5 mA y 1000 V a una presión entre 0.05 y 0.5 mmHg para el helio. Las corrientes de electrólisis funcional son de 2 a 20 mA, y 5 a 10 mA funcionan mejor. El proceso funciona lentamente a 200 V. y 0,02 mmHg de vapor de mercurio acelera cinco veces la evaporación del tungsteno. La búsqueda de esto fue sugerida por Ernest Rutherford . Fue desacreditado por JG Waller en 1960. [131] Boomer también estudió combinaciones de mercurio, yodo, azufre y fósforo con helio. Las combinaciones de mercurio y yodo-helio se descompusieron alrededor de −70 ° C [133] Las combinaciones de azufre y fósforo y helio se descompusieron alrededor de −120 ° C [133]
- Diheluro de bismuto, BiHe 2 [134] [135] [136]
H. Krefft y R. Rompe afirmaron reacciones entre helio y sodio, potasio, zinc, rubidio, indio y talio. [137]
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enlaces externos
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