El ion hidruro de helio o ion hidridohelio (1+) o helonio es un catión ( ion cargado positivamente ) con fórmula química HeH + . Consiste en un átomo de helio unido a un átomo de hidrógeno , con un electrón eliminado. También puede verse como helio protonado. Es el ion heteronuclear más ligero y se cree que es el primer compuesto formado en el Universo después del Big Bang . [2]
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Nombres | |
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Nombre IUPAC sistemático Hidridohelio (1+) [1] | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
CHEBI |
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ChemSpider | |
2 | |
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Propiedades | |
Je+ | |
Masa molar | 5,01054 g · mol −1 |
Base conjugada | Helio |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
Referencias de Infobox | |
El ion se produjo por primera vez en un laboratorio en 1925. Es estable en aislamiento, pero extremadamente reactivo y no se puede preparar a granel, porque reaccionaría con cualquier otra molécula con la que entrara en contacto. Conocido como el ácido más fuerte conocido , su presencia en el medio interestelar se había conjeturado desde la década de 1970, [3] y finalmente se detectó en abril de 2019 utilizando el telescopio aéreo SOFIA . [4] [5]
Propiedades físicas
El ion hidrógeno helio es isoelectrónico con hidrógeno molecular ( H
2). [6]
A diferencia del ion dihidrógeno H+
2, el ion hidruro de helio tiene un momento dipolar permanente , lo que facilita su caracterización espectroscópica. [7] El momento dipolar calculado de HeH + es 2,26 o 2,84 D . [8] La densidad de electrones en el ion es mayor alrededor del núcleo de helio que en el hidrógeno. El 80% de la carga de electrones está más cerca del núcleo de helio que del núcleo de hidrógeno. [9]
La detección espectroscópica se ve obstaculizada porque una de sus líneas espectrales más prominentes, a 149,14 μm , coincide con un doblete de líneas espectrales pertenecientes al radical metilidino ⫶ CH. [2]
La longitud del enlace covalente en el ion es 0,772 Å . [10]
Isotopólogos
El ion hidruro de helio tiene seis isotopólogos relativamente estables , que difieren en los isótopos de los dos elementos y, por tanto, en el número de masa atómica total ( A ) y el número total de neutrones ( N ) en los dos núcleos:
- [3
Él1
H] + o [3
JeH] + ( A = 4, N = 1) [11] [12] - [3
Él2
H] + o [3
HeD] + ( A = 5, N = 2) [11] [12] - [3
Él3
H] + o [3
HeT] + ( A = 6, N = 3; radiactivo) [13] [11] [14] - [4
Él1
H] + o [4
Je] + ( A = 5, N = 2) [6] [15] [16] [17] [12] - [4
Él2
H] + o [4
HeD] + ( A = 6, N = 3) [15] [12] - [4
Él3
H] + o [4
HeT] + ( A = 7, N = 4; radiactivo)
Todos tienen tres protones y dos electrones. Los tres primeros se generan por la desintegración radiactiva del tritio en las moléculas HT =1
H3
H , DT =2
H3
H y T
2 = 3
H
2, respectivamente. Los últimos tres se pueden generar ionizando el isotopólogo apropiado de H
2en presencia de helio-4. [6]
Los siguientes isotopólogos del ion hidruro de helio, del ion dihidrógeno H+
2, y del ion trihidrógeno H+
3tienen el mismo número de masa atómica total A :
- [3
Je] + , [D
2] + , [TH] + , [DH
2] + ( A = 4) - [3
HeD] + , [4
Je] + , [DT] + , [TH
2] + , [D
2H] + ( A = 5) - [3
HeT] + , [4
HeD] + , [T
2] + , [TDH] + , [D
3] + ( A = 6) - [4
HeT] + , [TD
2] + , [T
2H] + ( A = 7)
Sin embargo, las masas en cada fila de arriba no son iguales porque las energías de enlace en los núcleos son diferentes. [15]
Molécula neutra
A diferencia del ion hidruro de helio, la molécula de hidruro de helio neutra HeH no es estable en el estado fundamental. Sin embargo, existe en un estado excitado como un excímero (HeH *), y su espectro se observó por primera vez a mediados de la década de 1980. [18] [19] [20]
La molécula neutra es la primera entrada en la base de datos de Gmelin . [3]
Propiedades y reacciones químicas
Preparación
Dado que HeH + no se puede almacenar en ninguna forma utilizable, su química debe estudiarse formándolo in situ .
Las reacciones con sustancias orgánicas, por ejemplo, se pueden estudiar creando un derivado de tritio del compuesto orgánico deseado. La desintegración del tritio a 3 He + seguida de la extracción de un átomo de hidrógeno produce 3 HeH + que luego es rodeado por el material orgánico y reaccionará a su vez. [21] [22]
Acidez
HeH + no se puede preparar en una fase condensada , ya que donaría un protón a cualquier anión , molécula o átomo con el que entrara en contacto. Se ha demostrado que protona O 2 , NH 3 , SO 2 , H 2 O y CO 2 , dando O 2 H + , NH+ 4, HSO+
2, H 3 O + y HCO+
2respectivamente. [21] Otras moléculas como óxido nítrico , dióxido de nitrógeno , óxido nitroso , sulfuro de hidrógeno , metano , acetileno , etileno , etano , metanol y acetonitrilo reaccionan pero se rompen debido a la gran cantidad de energía producida. [21]
De hecho, HeH + es el ácido conocido más fuerte , con una afinidad protónica de 177,8 kJ / mol. [23] La acidez acuosa hipotética se puede estimar utilizando la ley de Hess :
Je + ( g ) → H + ( g ) + Él ( g ) +178 kJ / mol [23] Je + ( aq ) → Je + ( g ) +973 kJ / mol (a) H + ( g ) → H + ( aq ) −1530 kJ / mol Él ( g ) → Él ( aq ) +19 kJ / mol (B) Je + ( aq ) → H + ( aq ) + Él ( aq ) −360 kJ / mol
(a) Se estima que es el mismo que para Li + ( aq ) → Li + ( g ).
(b) Estimado a partir de datos de solubilidad.
Un cambio de energía libre de disociación de −360 kJ / mol es equivalente a un p K a de −63 a 298 K.
Otros iones de helio-hidrógeno
Los átomos de helio adicionales pueden unirse a HeH + para formar grupos más grandes como He 2 H + , He 3 H + , He 4 H + , He 5 H + y He 6 H + . [21]
El catión hidruro de dihelio, He 2 H + , se forma por reacción del catión dihelio con hidrógeno molecular:
- Él+
2+ H 2 → He 2 H + + H
Es un ion lineal con hidrógeno en el centro. [21]
El ion hidruro de hexahelio, He 6 H + , es particularmente estable. [21]
Se conocen o se han estudiado teóricamente otros iones hidruro de helio. Ion dihidruro de helio o dihidridohelio (1+) , HeH+
2, se ha observado mediante espectroscopia de microondas. [24] Tiene una energía de enlace calculada de 25,1 kJ / mol, mientras que el trihidridohelio (1+) , HeH+
3, tiene una energía de enlace calculada de 0,42 kJ / mol. [25]
Historia
Descubrimiento en experimentos de ionización
Hidridohelio (1+), específicamente [4
Él1
H] + , fue detectado indirectamente por primera vez en 1925 por TR Hogness y EG Lunn. Estaban inyectando protones de energía conocida en una mezcla enrarecida de hidrógeno y helio, con el fin de estudiar la formación de iones de hidrógeno como H+
, H+
2y H+
3. Observaron que H+
3apareció con la misma energía del haz (16 eV ) que H+
2, y su concentración aumentó con la presión mucho más que la de los otros dos iones. A partir de estos datos, concluyeron que el H+
2Los iones estaban transfiriendo un protón a las moléculas con las que chocaban, incluido el helio. [6]
En 1933, K. Bainbridge utilizó la espectrometría de masas para comparar las masas de los iones [4
Él1
H] + (ion hidruro de helio) y [2
H
21
H] + (ion trihidrógeno dos veces deuterado) para obtener una medición precisa de la masa atómica del deuterio en relación con la del helio. Ambos iones tienen 3 protones, 2 neutrones y 2 electrones. También comparó [4
Él2
H] + (ion deuteruro de helio) con [2
H
3] + (ion trideuterio), ambos con 3 protones y 3 neutrones. [15]
Estudios teóricos tempranos
El primer intento de calcular la estructura del ion HeH + (específicamente, [4
Él1
H] + ) mediante la teoría de la mecánica cuántica fue realizado por J. Beach en 1936. [26] Los cálculos mejorados se publicaron esporádicamente durante las siguientes décadas. [27] [28]
Métodos de desintegración del tritio en química
H. Schwartz observó en 1955 que la desintegración de la molécula de tritio T
2 = 3
H
2debe generar el ion hidruro de helio [3
HeT] + con alta probabilidad.
En 1963, F. Cacace en la Universidad Sapienza de Roma concibió la técnica de desintegración para preparar y estudiar radicales orgánicos e iones carbenio . [29] En una variante de esa técnica, las especies exóticas como el catión metonio se producen haciendo reaccionar compuestos orgánicos con el [3
HeT] + que se produce por la desintegración de T
2que se mezcla con los reactivos deseados. Mucho de lo que sabemos sobre la química de [HeH] + se obtuvo a través de esta técnica. [30]
Implicaciones para los experimentos de masa de neutrinos
En 1980, V. Lubimov (Lyubimov) en el laboratorio ITEP en Moscú afirmó haber detectado una masa en reposo levemente significativa (30 ± 16) eV para el neutrino , analizando el espectro de energía de la desintegración β del tritio. [31] La afirmación fue disputada, y varios otros grupos se propusieron verificarla mediante el estudio de la desintegración del tritio molecular T
2. Se sabía que parte de la energía liberada por esa desintegración se desviaría a la excitación de los productos de desintegración, incluido [3
HeT] + ; y este fenómeno podría ser una fuente significativa de error en ese experimento. Esta observación motivó numerosos esfuerzos para calcular con precisión los estados de energía esperados de ese ion con el fin de reducir la incertidumbre de esas mediciones. [ cita requerida ] Muchos han mejorado los cálculos desde entonces, y ahora hay bastante acuerdo entre las propiedades calculadas y experimentales; incluso para los isotopólogos [4
Él2
H] + , [3
Él1
H] + y [3
Él2
H] + . [17] [12]
Predicciones y detección espectrales
En 1956, M. Cantwell predijo teóricamente que el espectro de vibraciones de ese ion debería ser observable en el infrarrojo; y los espectros del deuterio y los isotopólogos comunes del hidrógeno ( [3
HeD] + y [3
Él1
H] + ) debe estar más cerca de la luz visible y, por lo tanto, más fácil de observar. [11] La primera detección del espectro de [4
Él1
H] + fue fabricado por D. Tolliver y otros en 1979, en números de onda entre 1700 y 1900 cm -1 . [32] En 1982, P. Bernath y T. Amano detectaron nueve líneas infrarrojas entre 2164 y 3158 ondas por cm. [dieciséis]
Espacio interestelar
Desde la década de 1970 se ha conjeturado que HeH + existe en el medio interestelar . [33] Su primera detección, en la nebulosa NGC 7027 , se informó en un artículo publicado en la revista Nature en abril de 2019. [4]
Ocurrencia natural
De la descomposición del tritio
El ion hidruro de helio se forma durante la desintegración del tritio en la molécula HT o la molécula de tritio T 2 . Aunque excitada por el retroceso de la desintegración beta, la molécula permanece unida. [34]
Medio interestelar
Se cree que es el primer compuesto que se formó en el universo, [2] y es de fundamental importancia para comprender la química del universo primitivo. [35] Esto se debe a que el hidrógeno y el helio fueron casi los únicos tipos de átomos formados en la nucleosíntesis del Big Bang . Las estrellas formadas a partir del material primordial deben contener HeH + , lo que podría influir en su formación y posterior evolución. En particular, su fuerte momento dipolar lo hace relevante para la opacidad de las estrellas de metalicidad cero . [2] También se cree que HeH + es un componente importante de las atmósferas de las enanas blancas ricas en helio, donde aumenta la opacidad del gas y hace que la estrella se enfríe más lentamente. [36]
HeH + podría formarse en el gas de enfriamiento detrás de los choques disociativos en densas nubes interestelares, como los choques causados por los vientos estelares , las supernovas y la salida de material de estrellas jóvenes. Si la velocidad del impacto es superior a unos 90 kilómetros por segundo (56 mi / s), se pueden formar cantidades lo suficientemente grandes para detectar. Si se detectan, las emisiones de HeH + serían entonces trazadores útiles del impacto. [37]
Se habían sugerido varias ubicaciones como posibles lugares donde se podría detectar HeH + . Estos incluían estrellas de helio frías , [2] regiones H II , [38] y densas nebulosas planetarias , [38] como NGC 7027 , [35] donde, en abril de 2019, se informó que se había detectado HeH + . [4]
Ver también
- Catión dihidrógeno
- Catión trihidrógeno
Referencias
- ^ "hidridohelio (1+) (CHEBI: 33688)" . Entidades químicas de interés biológico (ChEBI) . Instituto Europeo de Bioinformática.
- ^ a b c d e Engel, Elodie A .; Doss, Natasha; Harris, Gregory J .; Tennyson, Jonathan (2005). "Espectros calculados para HeH + y su efecto sobre la opacidad de estrellas frías pobres en metales". Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 357 (2): 471–477. arXiv : astro-ph / 0411267 . Código bibliográfico : 2005MNRAS.357..471E . doi : 10.1111 / j.1365-2966.2005.08611.x . S2CID 17507960 .
- ^ a b "Hidridohelio (CHEBI: 33689)" . Entidades químicas de interés biológico (ChEBI) . Instituto Europeo de Bioinformática.
- ^ a b c Güsten, Rolf; Wiesemeyer, Helmut; Neufeld, David; Menten, Karl M .; Graf, Urs U .; Jacobs, Karl; Klein, Bernd; Ricken, Oliver; Risacher, Christophe; Stutzki, Jürgen (abril de 2019). "Detección astrofísica del ion hidruro de helio HeH + ". Naturaleza . 568 (7752): 357–359. arXiv : 1904.09581 . Código Bib : 2019Natur.568..357G . doi : 10.1038 / s41586-019-1090-x . PMID 30996316 . S2CID 119548024 .
- ^ Andrews, Bill (22 de diciembre de 2019). "Los científicos encuentran la primera molécula del universo" . Descubrir . Consultado el 22 de diciembre de 2019 .
- ^ a b c d Hogness, TR; Lunn, EG (1925). "La ionización del hidrógeno por impacto de electrones interpretada por análisis de rayos positivos". Revisión física . 26 (1): 44–55. Código Bibliográfico : 1925PhRv ... 26 ... 44H . doi : 10.1103 / PhysRev.26.44 .
- ^ Coxon, J .; Hajigeorgiou, PG (1999). "Potencial experimental de Born-Oppenheimer para el estado fundamental de X 1 Σ + de HeH + : comparación con el potencial de Ab Initio ". Revista de espectroscopia molecular . 193 (2): 306–318. Código Bibliográfico : 1999JMoSp.193..306C . doi : 10.1006 / jmsp.1998.7740 . PMID 9920707 .
- ^ Dias, AM (1999). "Cálculo del momento dipolo a pequeñas moléculas diatómicas: implementación en un programa ab initio de campo autoconsistente de dos electrones " (PDF) . Rev da Univ de Alfenas . 5 (1): 77–79.
- ^ Dey, Bijoy Kr .; Deb, BM (abril de 1999). "Cálculo directo ab initio de energías y densidades electrónicas del estado fundamental para átomos y moléculas a través de una única ecuación hidrodinámica dependiente del tiempo". La Revista de Física Química . 110 (13): 6229–6239. Código Bibliográfico : 1999JChPh.110.6229D . doi : 10.1063 / 1.478527 .
- ^ Coyne, John P .; Ball, David W. (2009). "Química de partículas alfa. Sobre la formación de complejos estables entre He 2+ y otras especies simples: implicaciones para la química atmosférica e interestelar". Revista de modelado molecular . 15 (1): 35–40. doi : 10.1007 / s00894-008-0371-3 . PMID 18936986 . S2CID 7163073 .
- ^ a b c d Cantwell, Murray (1956). "Excitación molecular en la desintegración beta". Revisión física . 101 (6): 1747-1756. Código Bibliográfico : 1956PhRv..101.1747C . doi : 10.1103 / PhysRev.101.1747 ..
- ^ a b c d e Wei-Cheng Tung, Michele Pavanello y Ludwik Adamowicz (2012): "Curvas precisas de energía potencial para isotopólogos HeH + ". Journal of Chemical Physics , volumen 137, número 16, páginas 164305. doi : 10.1063 / 1.4759077
- ^ Schwartz, HM (1955). "Excitación de moléculas en la desintegración beta de un átomo constituyente". Revista de Física Química . 23 (2): 400–401. Código Bibliográfico : 1955JChPh..23R.400S . doi : 10.1063 / 1.1741982 .
- ^ Snell, Arthur H .; Pleasonton, Frances; Leming, HE (1957). "Disociación molecular después de la desintegración radiactiva: hidruro de tritio". Revista de Química Inorgánica y Nuclear . 5 (2): 112-117. doi : 10.1016 / 0022-1902 (57) 80051-7 .
- ^ a b c d Bainbridge, Kenneth T. (1933). "Comparación de las masas de H 2 y helio". Revisión física . 44 (1): 57. Bibcode : 1933PhRv ... 44 ... 57B . doi : 10.1103 / PhysRev.44.57 .
- ^ a b Bernath, P .; Amano, T. (1982). "Detección de la banda fundamental infrarroja de HeH + ". Cartas de revisión física . 48 (1): 20-22. Código Bibliográfico : 1982PhRvL..48 ... 20B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.48.20 .
- ^ a b Pachucki, Krzysztof; Komasa, Jacek (2012). "Niveles de vibración de iones de hidruro de helio". La Revista de Física Química . 137 (20): 204314. Código Bibliográfico : 2012JChPh.137t4314P . doi : 10.1063 / 1.4768169 . PMID 23206010 .
- ^ Möller, Thomas; Beland, Michael; Zimmerer, Georg (1985). "Observación de fluorescencia de la molécula HeH" . Cartas de revisión física . 55 (20): 2145–2148. Código Bibliográfico : 1985PhRvL..55.2145M . doi : 10.1103 / PhysRevLett.55.2145 . PMID 10032060 .
- ^ "Wolfgang Ketterle: Premio Nobel de Física 2001" . nobelprize.org.
- ^ Ketterle, W .; Figger, H .; Walther, H. (1985). "Espectros de emisión de hidruro de helio ligado". Cartas de revisión física . 55 (27): 2941-2944. Código bibliográfico : 1985PhRvL..55.2941K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.55.2941 . PMID 10032281 .
- ^ a b c d e f Grandinetti, Felice (octubre de 2004). "Química del helio: un estudio del papel de las especies iónicas". Revista Internacional de Espectrometría de Masas . 237 (2–3): 243–267. Código Bibliográfico : 2004IJMSp.237..243G . doi : 10.1016 / j.ijms.2004.07.012 .
- ^ Cacace, Fulvio (1970). Iones de carbonio gaseosos de la desintegración de moléculas tritiadas . Avances en Química Orgánica Física. 8 . págs. 79-149. doi : 10.1016 / S0065-3160 (08) 60321-4 . ISBN 9780120335084.
- ^ a b Lias, SG; Liebman, JF; Levin, RD (1984). "Basicidades evaluadas en fase gaseosa y afinidades de protones de moléculas; calores de formación de moléculas protonadas". Revista de datos de referencia físicos y químicos . 13 (3): 695. Código bibliográfico : 1984JPCRD..13..695L . doi : 10.1063 / 1.555719 .
- ^ Carrington, Alan; Gammie, David I .; Shaw, Andrew M .; Taylor, Susie M .; Hutson, Jeremy M. (1996). "Observación de un espectro de microondas de largo alcance He ⋯ H+
2complex ". Chemical Physics Letters . 260 (3-4): 395-405. Bibcode : 1996CPL ... 260..395C . doi : 10.1016 / 0009-2614 (96) 00860-3 . - ^ Pauzat, F .; Ellinger, Y. (2005). "¿Dónde se esconden los gases nobles en el espacio?". En Markwick-Kemper, AJ (ed.). Astroquímica: éxitos recientes y desafíos actuales (PDF) . Póster Simposio No. 231 de la IAU . 231 . Bibcode : 2005IAUS..231 ..... L . Archivado desde el original (PDF) el 2007-02-02.
- ^ Playa, JY (1936). "Tratamiento mecánico cuántico de la molécula de hidruro de helio-Ion HeH + ". Revista de Física Química . 4 (6): 353–357. Código Bibliográfico : 1936JChPh ... 4..353B . doi : 10.1063 / 1.1749857 .
- ^ Toh, Sôroku (1940). "Tratamiento mecánico cuántico de la molécula de hidruro de helio Ion HeH + ". Actas de la Sociedad Físico-Matemática de Japón . 3ra Serie. 22 (2): 119-126. doi : 10.11429 / ppmsj1919.22.2_119 .
- ^ Evett, Arthur A. (1956). "Estado fundamental del ión de hidruro de helio". Revista de Física Química . 24 (1): 150-152. Código bibliográfico : 1956JChPh..24..150E . doi : 10.1063 / 1.1700818 .
- ^ Cacace, Fulvio (1990). "Técnicas de desintegración nuclear en química de iones". Ciencia . 250 (4979): 392–399. Código Bibliográfico : 1990Sci ... 250..392C . doi : 10.1126 / science.250.4979.392 . PMID 17793014 . S2CID 22603080 .
- ^ Speranza, Maurizio (1993). "Tritio para la generación de carbocationes". Revisiones químicas . 93 (8): 2933-2980. doi : 10.1021 / cr00024a010 .
- ^ Lubimov, VA; Novikov, EG; Nozik, VZ; Tretyakov, EF; Kosik, VS (1980). "Una estimación de la masa ν e del espectro β del tritio en la molécula de valina". Physics Letters B . 94 (2): 266–268. Código Bibliográfico : 1980PhLB ... 94..266L . doi : 10.1016 / 0370-2693 (80) 90873-4 ..
- ^ David E. Tolliver, George A. Kyrala y William H. Wing (1979): "Observación del espectro infrarrojo del ión molecular de hidruro de helio [4
HeH] + ". Physical Review Letters , volumen 43, número 23, páginas 1719-1722. Doi : 10.1103 / PhysRevLett.43.1719 - ^ Fernández, J .; Martín, F. (2007). "Fotoionización del ion molecular HeH + ". Journal of Physics B . 40 (12): 2471–2480. Código Bibliográfico : 2007JPhB ... 40.2471F . doi : 10.1088 / 0953-4075 / 40/12/020 .
- ^ Mannone, F., ed. (1993). Seguridad en la tecnología de manipulación de tritio . Saltador. pag. 92. doi : 10.1007 / 978-94-011-1910-8_4 . ISBN 978-94-011-1910-8.
- ^ a b Liu, X.-W .; Barlow, MJ; Dalgarno, A .; Tennyson, J .; Lim, T .; Swinyard, BM; Cernicharo, J .; Cox, P .; Baluteau, J.-P .; Pequignot, D .; Nguyen, QR; Emery, RJ; Clegg, PE (1997). "Una detección de espectrómetro de longitud de onda larga ISO de CH en NGC 7027 y un límite superior de HeH + ". Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . 290 (4): L71 – L75. Código bibliográfico : 1997MNRAS.290L..71L . doi : 10.1093 / mnras / 290.4.l71 .
- ^ Harris, GJ; Lynas-Gray, AE; Miller, S .; Tennyson, J. (2004). "El papel de HeH + en Cool enanas blancas ricas en helio". El diario astrofísico . 617 (2): L143 – L146. arXiv : astro-ph / 0411331 . Código Bibliográfico : 2004ApJ ... 617L.143H . doi : 10.1086 / 427391 . S2CID 18993175 .
- ^ Neufeld, David A .; Dalgarno, A. (1989). "Choques moleculares rápidos. I - Reforma de moléculas detrás de un choque disociativo". El diario astrofísico . 340 : 869–893. Código Bibliográfico : 1989ApJ ... 340..869N . doi : 10.1086 / 167441 .
- ^ a b Roberge, W .; Delgarno, A. (1982). "La formación y destrucción de HeH + en plasmas astrofísicos". El diario astrofísico . 255 : 489–496. Código Bibliográfico : 1982ApJ ... 255..489R . doi : 10.1086 / 159849 .