氩氢离子
| 氩氢离子 | |
|---|---|
| |
| 识别 | |
| CAS号 | 12254-68-1 
|
| SMILES |
|
| InChI |
|
| InChIKey | TVQSUVFYDVJWLI-UHFFFAOYSA-N |
| Gmelin | 2 |
| 性质 | |
| 化学式 | ArH+ |
| 摩尔质量 | 40.956 g·mol⁻¹ |
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |
氩氢离子是一种阳离子，由氢正离子及氩原子组成。它能以放电制成，同时亦是第一种在星际空间发现的稀有气体多原子离子（或分子）。[1]
简介
[编辑]詹姆斯·布劳尔特及萨姆纳·戴维斯于基特峰国家天文台以麦克梅斯-皮尔斯太阳望远镜进行傅立叶变换光谱摄像得到其红外线振动旋转谱带。[2]约翰·约翰斯亦观测到其谱带。[3]
氩氢离子存在于星际间弥散的氢原子云中，作为生成的条件氢分子的占比须处于0.0001至0.001之间，由于其占比会影响到不同离子的生成。当36Ar1H+进行旋转跃迁时，便可探测到617.525 GHz (J = 1→0)及1234.602 GHz (J = 2→1)的吸收线。这在SgrB2(M)及SgrB2(N)：G34.26+0.15、W31(C)：G10.62−0.39、W49(N)、W51(E)等中心可得，因为氩氢离子位于微波的放射源前。[4]
而在蟹状星云可得到其发射线，显示氩氢离子存在于其多个部分，当中最密集的是在其南部的纤维状结构。[5]这亦是Ar+及Ar2+离子最密集的地方。[5]氩氢离子在蟹状星云的柱密度介乎每立方厘米有1012至1013颗。[5]相信其进入激发态的能量来自电子与氢分子的撞击。[5]而接近银心的柱密度约为2×1013 cm−2。[4]
36ArH+及38ArH+离子已知存在于75亿光年外的未命名星系中，其z = 0.88582，与耀变体PKS 1830−211同一视点。[6]
氩能促进氚分子与脂肪酸的双键，当中会产生一种过渡物ArT+。[7]当以氩-氢等离子体溅镀于金上，对其造成的位移亦是由于氩氢离子。[8]
性质
[编辑]氩氢离子与氯化氢为等电子体，基态的键偶极矩为2.18D。[6]其结合能则为369 kJ mol−1[4]（2.9 eV[5]），比许多𬭩离子要小，但比氢分子离子大。[6]键力常数为.88 mdyne/Å2。[9]
其不同振动态的寿命取决于当中的同位素，而大致上更高能量的振动态寿命更短。
寿命（毫秒）[10] v ArH+ ArD+ 1 2.28 9.09 2 1.20 4.71 3 0.85 3.27 4 0.64 2.55 5 0.46 2.11
反应
[编辑]氩氢离子可能有以下反应：
- ArH+ + H2 → Ar + H+
3[4] - ArH+ + C → Ar + CH+
- ArH+ + N → Ar + NH+
- ArH+ + O → Ar + OH+
- ArH+ + CO → Ar + COH+[4]
亦可在以下反应生成：
Ar+ + H2在低能量时的截面为10−18 m2，而当能量超过100 eV时的截面则会大幅下降。[11]
Ar + H+
2在其离子为低能量时的截面为6×10−19 m2，但若能量超过10 eV时收率会下降，相对的是更多Ar+ + H2会产生。[11]
当能量在0.75至1 eV之间，Ar + H+
3的截面为5×10−20 m2并有最大的氩氢离子收率，而反应的过程需要0.6 eV能量。能量高于4 eV时Ar+ + H开始产生。[11]
氩氢离子亦可从Ar+生成，后者可由氩原子受到宇宙线及X射线下产生：
当它遇到电子时可能会解离重合，但若该电子能量低则此反应极为缓慢，使它的寿命比许多相似的𬭩离子更长。若氢分子浓度低于10−4，解离反应会超过其形成。[12]
- ArH+ + e− → Ar + H[4]
由于氩原子的电离能比氢分子更低，它会与氢分子反应；而氦和氖原子则更高，它们会从氢分子取走电子。
光谱
[编辑]氩氢离子可藉对氩及氢的混合物放电制备。[13]詹姆斯·布劳尔特及萨姆纳·戴维斯首次于红外线光谱观测到其振动旋转谱带。[13]
人工制备的氩氢离子所含的大部分为40Ar原子，而宇宙中多数为其同位素36Ar。
| 40Ar1H+的远红外线光谱[13] | 36Ar | 38Ar[6] | |
| 跃迁 | 测得频率 | ||
|---|---|---|---|
| J | GHz | ||
| 1←0 | 615.8584 | 617.525 | 615.85815 |
| 2←1 | 1231.2712 | 1234.602 | |
| 3←2 | 1845.7937 | ||
| 4←3 | 2458.9819 | ||
| 5←4 | 3080.3921 | ||
| 6←5 | 3679.5835 | ||
| 7←6 | 4286.1150 | ||
| 21←20 | 12258.483 | ||
| 22←21 | 12774.366 | ||
| 23←22 | 13281.119 | ||
在紫外线光谱亦有两条吸收线，其跃迁会使得离子断键。以11.2 eV跃迁至B1Π电子态的跃迁偶极矩颇小，较难观察到。以15.8 eV跃迁至A1Σ+推斥态的话其波长小于莱曼极限，宇宙中很少光子造成此跃迁。[4]
另见
[编辑]参考
[编辑]- ^ Quenqua, Douglas. Noble Molecules Found in Space. The New York Times. 2013-12-13 [2016-09-26]. （原始内容存档于2017-04-22）.
- ^ Brault, James W; Davis, Sumner P. Fundamental Vibration-Rotation Bands and Molecular Constants for the ArH+ Ground State (1Σ+ ). Physica Scripta. 1982-02-01, 25 (2): 268–271. Bibcode:1982PhyS...25..268B. doi:10.1088/0031-8949/25/2/004.
- ^ Johns, J.W.C. Spectra of the protonated rare gases. Journal of Molecular Spectroscopy. 1984-07, 106 (1): 124–133. Bibcode:1984JMoSp.106..124J. doi:10.1016/0022-2852(84)90087-0.
- ^ 4.00 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06 4.07 4.08 4.09 4.10 4.11 4.12 Schilke, P.; Neufeld, D. A.; Müller, H. S. P.; Comito, C.; Bergin, E. A.; Lis, D. C.; Gerin, M.; Black, J. H.; Wolfire, M.; Indriolo, N.; Pearson, J. C.; Menten, K. M.; Winkel, B.; Sánchez-Monge, Á.; Möller, T.; Godard, B.; Falgarone, E. Ubiquitous argonium (ArH+) in the diffuse interstellar medium: A molecular tracer of almost purely atomic gas. Astronomy & Astrophysics. 2014-06-04, 566: A29. Bibcode:2014A&A...566A..29S. arXiv:1403.7902
. doi:10.1051/0004-6361/201423727.
- ^ 5.0 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Barlow, M. J.; Swinyard, B. M.; Owen, P. J.; Cernicharo, J.; Gomez, H. L.; Ivison, R. J.; Krause, O.; Lim, T. L.; Matsuura, M.; Miller, S.; Olofsson, G.; Polehampton, E. T. Detection of a Noble Gas Molecular Ion, 36ArH+, in the Crab Nebula. Science. 2013-12-12, 342 (6164): 1343–1345. Bibcode:2013Sci...342.1343B. PMID 24337290. arXiv:1312.4843 . doi:10.1126/science.1243582.
- ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 Müller, Holger S. P.; Muller, Sébastien; Schilke, Peter; Bergin, Edwin A.; Black, John H.; Gerin, Maryvonne; Lis, Dariusz C.; Neufeld, David A.; Suri, Sümeyye. Detection of extragalactic argonium, ArH+, toward PKS 1830−211. Astronomy & Astrophysics. 2015-10-07, 582: L4. Bibcode:2015A&A...582L...4M. arXiv:1509.06917 . doi:10.1051/0004-6361/201527254.
- ^ Peng, C. T. Mechanism of Addition of Tritium to Oleate by Exposure to Tritium Gas. The Journal of Physical Chemistry. 1966-04, 70 (4): 1297–1304. doi:10.1021/j100876a053.
- ^ Jiménez-Redondo, Miguel; Cueto, Maite; Doménech, José Luis; Tanarro, Isabel; Herrero, Víctor J. Ion kinetics in Ar/H2 cold plasmas: the relevance of ArH+ (PDF). RSC Advances. 2014-11-03, 4 (107): 62030–62041 [2019-11-19]. ISSN 2046-2069. PMC 4685740 . PMID 26702354. doi:10.1039/C4RA13102A. （原始内容存档 (PDF)于2017-08-21）.
- ^ Fortenberry, Ryan C. Quantum astrochemical spectroscopy. International Journal of Quantum Chemistry. 2016-06, 117 (2): 81–91. doi:10.1002/qua.25180.
- ^ Pavel Rosmus. Molecular Constants for the 1Σ+ Ground State of the ArH+ Ion. Theoretica Chimica Acta. 1979, 51: 359–363.
- ^ 11.0 11.1 11.2 Phelps, A. V. Collisions of H+, H+
2, H+
3, ArH+, H−, H, and H2 with Ar and of Ar+ and ArH+ with H2 for Energies from 0.1 eV to 10 keV. J. Phys. Chem. Ref. Data. 1992, 21 (4). - ^ David A. Neufeld; Mark G. Wolfire. The chemistry of interstellar argonium and other probes of the molecular fraction in diffuse clouds. The Astrophysical Journal. 2016-07-01, 826 (2): 183. Bibcode:2016ApJ...826..183N. arXiv:1607.00375v1 . doi:10.3847/0004-637X/826/2/183.
- ^ 13.0 13.1 13.2 Brown, John M.; Jennings, D.A.; Vanek, M.; Zink, L.R.; Evenson, K.M. The pure rotational spectrum of ArH+ (PDF). Journal of Molecular Spectroscopy. 1988-04, 128 (2): 587–589 [2019-11-19]. Bibcode:1988JMoSp.128..587B. doi:10.1016/0022-2852(88)90173-7. （原始内容存档 (PDF)于2018-07-22）.
