水素化ヘリウムイオン

水素化ヘリウムイオン（HeH+）について

水素化ヘリウムイオン、またの名をヒドリドヘリウムイオン（HeH+）は、ヘリウムと陽子の反応によって生成されるカチオンです。このイオンは1925年に初めて観測され、現在では宇宙や化学の研究において重要な役割を果たしています。化学式はHeH+で表され、そのプロトン親和力は117.8 kJ/molと、既知の全酸の中で最も強力なものとされています。2019年には、成層圏赤外線天文台の観測により、星間物質中に存在することが確認されました。

特性と構造

水素化ヘリウムイオンは、H2分子に対して等電子的でありながら、永久双極子モーメントを持つ点で異なります。この性質により、赤外線分光法による観測が容易になります。ただし、このイオンは接触した他のアニオン、分子、原子にプロトンを与えてしまうため、固体や液体の形で存在することはできません。仮想的な水溶液中では酸解離定数が予測されており、解離による自由エネルギー変化は−360 kJ/molとなり、pKaは−63に相当します。また、HeH+の共有結合の結合長は0.772 Åと計測されています。

水素化ヘリウムイオンには、他にも理論的に研究されている二水素化ヘリウムイオン（HeH2+）やトリヒドリドヘリウムイオン（HeH3+）があります。HeH2+はマイクロ波分光法で確認されており、その結合エネルギーは25 kJ/molとされています。一方で、HeH3+は結合エネルギーがわずか0.4 kJ/molと計算されています。

水素化ヘリウムイオンの自然発生

水素化ヘリウムイオンは、トリチウム化水素分子やトリチウム分子の崩壊によって生じることがあります。これらの分子はβ崩壊の影響を受け、分子が結合したまま状態が維持されます。HeH+は宇宙初期に生成された最初の化合物の一つと考えられており、星形成や初期宇宙の化学の理解において重要な役割を果たしています。

特に、強力な双極子モーメントがゼロ金属量の星の不透明度に影響を与えるとも言われています。ヘリウムの豊富な白色矮星の大気においても、HeH+は主要な成分の一つとみなされており、これが星の冷却速度に繋がる要因とされています。

HeH+が存在する可能性のある場所としては、冷えたヘリウムの星やHII領域、収縮した惑星状星雲（特にNGC 7027）などが考えられています。ただし、そのスペクトル線の中に特に指摘される波長149.14 µmがあり、CHの持つスペクトル線と重なり合うため、分光学的にこのイオンを検出することは非常に困難です。加えて、超新星や若い星から放出される物質などによる衝撃が発生した後に冷却されたガスの中で、HeH+が生成されることもあります。

中性水素化ヘリウム分子

水素化ヘリウムイオンとは対照的に、中性の水素化ヘリウム分子は基底状態では安定ではありませんが、励起状態ではエキシマとして安定を保つことができます。この中性分子のスペクトルは1980年代に初めて確認されました。今後の研究において、HeH+の特性がさらに解明されることが期待されます。

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