Димер на хелиум

Димер на хелиум е Ван дер Валсова молекула со формула He <sub>2</sub> која се состои од два атоми на хелиум. Оваа хемикалија е најголемата двоатомска молекула - молекула која се состои од два атома поврзани заедно. Врската што го држи овој димер заедно е толку слаба што ќе се скрши ако молекулата се ротира или вибрира премногу. Може да постои само при многу ниски криогени температури.
Два возбудени атоми на хелиум исто така можат да се поврзат еден со друг во форма наречена ексцимер. Ова било откриено од спектарот на хелиум кој содржел ленти кои првпат биле видени во 1912 година. Напишан како He <sub>2</sub><sup>*</sup> со * што значи возбудена состојба, таа е првата позната молекула на Ридберг.
Постојат неколку јони на дихелиум, кои имаат нето полнежи од негативен еден, позитивен и позитивен два. Два атома на хелиум може да се ограничат заедно без да се врзат во кафезот на фулерен.
1 Молекула
Врз основа на теоријата на молекуларната орбитала, He <sub>2</sub> не треба да постои и не може да се формира хемиска врска помеѓу атомите. Меѓутоа, ван дер Валсовата сила постои помеѓу атомите на хелиум, како што е прикажано со постоењето на течен хелиум, и на одреден опсег на растојанија помеѓу атомите, привлечноста ја надминува одбивноста. Така може да постои молекула составена од два атома на хелиум врзани со ван дер Валсовата сила. Постоењето на оваа молекула било предложено уште во 1937 година.
He <sub>2</sub> е најголемата позната молекула од два атома кога е во основна состојба, поради неговата екстремно долга должина на врската. Молекулата He <sub>2</sub> има големо растојание помеѓу атомите од околу 5 200 пикометри. Ова е најголемото за двоатомска молекула без ровибронско возбудување. Енергијата на врзување е само околу 1,3 mK, 10 <sup>−7</sup>eV или 1,1× <sup>10-5</sup>kcal/mol.
Двата атоми на хелиум во димерот може да се јонизираат со еден фотон со енергија 63,86 eV. Предложениот механизам за оваа двојна јонизација е дека фотонот исфрла електрон од едниот атом, а потоа тој електрон удира во другиот атом на хелиум и го јонизира добро. Димерот потоа експлодира додека два катјони на хелиум се одбиваат еден со друг, движејќи се со иста брзина, но во спротивни насоки.
Молекулата на дихелиум врзана од силите на Ван дер Валс првпат била предложена од Џон Кларк Слејтер во 1928 година.
2 Формирање
Димерот на хелиум може да се формира во мали количини кога гасот на хелиум се шири и лади додека минува низ млазницата во гасниот зрак. Само изотопот <sup>4</sup> He може да формира вакви молекули; <sup>4</sup> He<sup>3</sup> He и <sup>3</sup> He <sup>3</sup> He не постојат, бидејќи тие немаат стабилна врзана состојба. Количината на димерот формиран во гасниот сноп е од редот на еден процент.
3 Молекуларни јони
He <sub>2</sub><sup>+</sup> е поврзан јон поврзан со половина ковалентна врска. Може да се формира во електрично празнење на хелиум. Се рекомбинира со електрони за да формира електронски возбудена He <sub>2</sub> ( ''a''<sup>3</sup> Σ <sup>+</sup><sub>''u''</sub> ) ексцимерна молекула. И двете од овие молекули се многу помали со понормални меѓуатомски растојанија. Тој <sub>2</sub><sup>+</sup> реагира со N <sub>2</sub>, Ar, Xe, O <sub>2</sub> и CO <sub>2</sub> за да формира катјони и неутрални атоми на хелиум.
Димерот за хелиум He <sub>2</sub><sup>2+</sup> ослободува голема количина енергија кога се дисоцира, околу 835kJ/mol. Сепак, енергетска бариера од 138,91kJ/mol го спречува моменталното распаѓање. Овој јон бил теоретски проучуван од Лајнус Полинг во 1933 година. Овој јон е изоелектронски со молекулата на водородот. He <sub>2</sub><sup>2+</sup> е најмалата можна молекула со двојно позитивен полнеж. Може да се открие со помош на масена спектроскопија.
Негативниот димер на хелиум He <sub>2</sub><sup>-</sup> е метастабилен и бил откриен од Бае, Коџиола и Петерсон во 1984 година со поминување на He <sub>2</sub><sup>+</sup> низ цезиумската пареа. Последователно, Х.Х. Михелс теоретски го потврдил неговото постоење и заклучил дека состојбата од <sup>4</sup> Π <sub>g</sub> на He <sub>2</sub><sup>−</sup> е врзана во однос на состојбата a <sup>2</sup> Σ <sup>+</sup><sub>u</sub> на He <sub>2</sub> . Пресметаниот афинитет на електрони е 0,233 eV во споредба со 0,077 eV за He <sup>−</sup> [ <sup>4</sup> P <sup>∘</sup> ] јонот. He <sub>2</sub><sup>−</sup> се распаѓа низ долготрајната компонента 5/2g со τ~350μsec и многу пократкотрајните компоненти 3/2g, 1/2g со τ~10μsec. Состојбата <sup>4</sup>Π <sub>g</sub> има електронска конфигурација 1σ <sup>2</sup><sub>g</sub> 1σ <sub>u</sub> 2σ <sub>g</sub> 2π <sub>u</sub>, нејзиниот електронски афинитет Е е 0,18±0,03 eV, а неговиот животен век е 135±15 μsec; само v=0 вибрационата состојба е одговорна за оваа долговечна состојба.
Молекуларниот хелиумски анјон се наоѓа и во течен хелиум кој бил возбуден од електрони со енергетско ниво повисоко од 22 eV. Ова се случува прво со пенетрација на течноста He, земајќи 1.2 eV, проследено со побудување на електрон на атом на He до нивото <sup>3</sup> P, што трае 19,8 eV. Електронот потоа може да се комбинира со друг атом на хелиум и возбудениот атом на хелиум за да формира He <sub>2</sub><sup>-</sup> . Тој <sub>2</sub><sup>−</sup> ги одбива атомите на хелиум, и така има празнина околу него. Ќе има тенденција да мигрира на површината на течниот хелиум.
4 Ексимери
Во нормален атом на хелиум, два електрони се наоѓаат во орбиталата 1s. Меѓутоа, ако се додаде доволно енергија, еден електрон може да се подигне на повисоко енергетско ниво. Овој високоенергетски електрон може да стане валентен електрон, а електронот што останува во орбиталата 1 е јадро електрон. Два возбудени атоми на хелиум можат да формираат ковалентна врска, создавајќи молекула наречена дихелиум која трае неколку пати од редот на микросекунда до секунда или слично. (Возбудените атоми на хелиум во состојба 2 <sup>3</sup> S може да траат до еден час и да реагираат како атоми на алкален метал. )
Првите индиции дека постои дихелиум биле забележани во 1900 година кога В. Хојз забележал опсег на опсег во испуштање на хелиум. Сепак, не биле објавени информации за природата на спектарот. Независно Е. Голдштајн од Германија и НИЕ Кертис од Лондон објавиле детали за спектарот во 1913 година. Кертис бил повикан на воена служба во Првата светска војна, а проучувањето на спектарот го продолжил Алфред Фаулер. Фаулер препознал дека двоглавните ленти спаѓаат во две секвенци аналогни на главните и дифузните серии во линиските спектри.
Спектарот на емисионата лента покажува голем број на појаси кои се деградираат кон црвено, што значи дека линиите се разредуваат и спектарот слабее кон подолгите бранови должини. Само еден бенд со глава на зелена лента на 5732Å се деградира кон виолетова. Други силни глави на бендови се на 6400 (црвена), 4649, 4626, 4546, 4157.8, 3777, 3677, 3665, 3356.5 и 3348.5Å. Исто така, има некои бендови без глава и дополнителни линии во спектарот. Слаби ленти се пронајдени со глави на 5133 и 5108.
Ако валентниот електрон е во 2s 3s или 3d орбитала, се добива состојба <sup>1</sup> Σ <sub>u</sub> ; ако е во 2p 3p или 4p, се добива состојба од <sup>1</sup> Σ <sub>g</sub> . Основната состојба е X <sup>1</sup> Σ <sub>g</sub><sup>+</sup> .
Трите најниски тројни состојби на He <sub>2</sub> имаат ознаки a <sup>3</sup> Σ <sub>u</sub>, b <sup>3</sup> Π <sub>g</sub> и c <sup>3</sup> Σ <sub>g</sub> . Состојбата a <sup>3</sup> Σ <sub>u</sub> без вибрации ( ''v'' =0) има долг животен век на метастабилност од 18s, многу подолг од животниот век за други состојби или ексцимери на инертен гас. Објаснувањето е дека состојбата a <sup>3</sup> Σ <sub>u</sub> нема електронски орбитален аголен моментум, бидејќи сите електрони се во S орбитали за состојбата на хелиум.
Долните лежечки единечни состојби на He <sub>2</sub> се A <sup>1</sup> Σ <sub>u</sub>, B <sup>1</sup> Π <sub>g</sub> и C <sup>1</sup> Σ <sub>g</sub> . Молекулите на ексцимерот се многу помали и поцврсто врзани од ван дер Валсовиот сврзан хелиум димер. За состојбата A <sup>1</sup> Σ <sub>u,</sub> енергијата на врзувањето е околу 2,5eV, со одвојување на атомите од 103,9pm. Состојбата C <sup>1</sup> Σ <sub>g</sub> има енергија на врзување 0,643eV и одвојувањето помеѓу атомите е 109,1 пикометри. Овие две состојби имаат одбивен опсег на растојанија со максимум околу 300pm, каде што ако се приближат возбудените атоми, тие треба да надминат енергетска бариера. Синглетната состојба A <sup>1</sup> Σ <sup>+</sup><sub>u</sub> е многу нестабилна со животен век долг само наносекунди.
Спектарот на ексцимерот He <sub>2</sub> содржи ленти поради голем број линии поради транзиции помеѓу различни стапки на ротација и вибрациони состојби, комбинирани со различни електронски транзиции. Линиите моѓе да се групираат во гранки P, Q и R. Но, парните нумерирани ротациони нивоа немаат линии на гранка Q, поради тоа што и двете јадра се спин 0. Проучени се бројни електронски состојби на молекулата, вклучувајќи ги и Ридберговите состојби со бројот на обвивката до 25.
Светилките за празнење на хелиум произведуваат вакуумско ултравиолетово зрачење од молекулите на хелиум. Кога високоенергетските протони го погодуваат гасот хелиум, тој исто така произведува УВ емисија на околу 600Å со распаѓање на возбудените високо-вибрирачки молекули на He <sub>2</sub> во состојбата A <sup>1</sup> Σ <sub>u</sub> до основната состојба. УВ зрачењето од возбудените молекули на хелиум се користи во детекторот за јонизирање на пулсното празнење (PDHID) кој е способен да ја детектира содржината на мешаните гасови на нивоа под делови на милјарда.
Континуумот Хопфилд (именуван по Џеј Џеј Хопфилд ) е опсег на ултравиолетова светлина помеѓу 600 и 1000Å во бранова должина формирана со фотодисоцијација на молекулите на хелиум.
Еден механизам за формирање на молекулите на хелиум е најпрво, атом на хелиум се возбудува со еден електрон во орбиталата 2 <sup>1</sup> S. Овој возбуден атом се среќава со два други невозбудени атоми на хелиум во асоцијација на три тела и реагира за да формира молекула на A <sup>1</sup> Σ <sub>u</sub> состојба со максимална вибрација и атом на хелиум.
Молекулите на хелиум во квинтет состојба <sup>5</sup> Σ <sup>+</sup><sub>g</sub> може да се формираат со реакција на два спин поларизирани атоми на хелиум во состојби на He(2 <sup>3</sup> S <sub>1</sub> ). Оваа молекула има високо ниво на енергија од 20 eV. Највисокото дозволено ниво на вибрации е v=14.
Во течниот хелиум ексцимерот формира меур за солвација. Во <sup>3</sup>d состојба a He * 2 молекула е опкружена со меур 12.7Å во радиус при атмосферски притисок. Кога притисокот се зголемува на 24 атмосфери, радиусот на меурот се намалува на 10,8Å. Оваа променлива големина на меурчиња предизвикува поместување во флуоресцентните појаси.
држава, К, електронски аголен моментум Λ, електронски спин С, Случајот за спојување на Хунд, тип, енергија, енергија на дисоцијација eV, должина pm, нивоа на вибрации
A <sup>1</sup> Σ <sub>u</sub>, 1,3,5,7, сингл, 2.5, 103,9
B <sup>1</sup> Π <sub>g</sub>, сингл
C <sup>1</sup> Σ <sub>g</sub>, 0,2,4,6, сингл
a <sup>3</sup> Σ <sub>u</sub>, 1,3,5,7, тројка
b <sup>3</sup> Π <sub>g</sub>, тројка
c <sup>3</sup> Σ <sub>g</sub>, 0,2,4,6, 0, 1, б, тројка
<sup>5</sup> Σ <sup>+</sup><sub>g</sub>, квинтет
5 Магнетна кондензација
Во многу силни магнетни полиња, (околу 750.000 Тесла) и доволно ниски температури, атомите на хелиум се привлекуваат, па дури и можат да формираат линеарни синџири. Ова може да се случи кај белите џуџиња и неутронските ѕвезди. Должината на врската и енергијата на дисоцијација се зголемуваат како што се зголемува магнетното поле.
6 Употреба
Ексцимерот на дихелиум е важна компонента во светилката за испуштање хелиум.
Втора употреба на јон на дихелиум е во техниките за јонизација на околината користејќи плазма со ниска температура. Во овој хелиум атомите се возбудуваат, а потоа се комбинираат за да се добие дихелиум јон. He <sub>2</sub><sup>+</sup> продолжува да реагира со N <sub>2</sub> во воздухот за да направи N <sub>2</sub><sup>+</sup> . Овие јони реагираат со површината на примерокот за да создадат позитивни јони кои се користат во масената спектроскопија. Плазмата што го содржи димерот на хелиум може да биде дури 30 °C на температура, а тоа го намалува топлотното оштетување на примероците.
7 Кластери
Се покажало дека He <sub>2</sub> формира ван дер Валс соединенија со други атоми кои формираат поголеми кластери како што се <sup>24</sup> MgHe <sub>2</sub> и <sup>40</sup> CaHe <sub>2</sub> .
Тримерот на хелиум-4 ( <sup>4</sup> He <sub>3</sub> ), кластер од три атоми на хелиум, се предвидува да има возбудена состојба која е состојба на Ефимов. Ова било експериментално потврдено во 2015 година.
8 Кејџ
Два атоми на хелиум можат да се вклопат во поголемите фулерени, вклучувајќи ги и C <sub>70</sub> и C <sub>84</sub>. Тие може да се детектираат со јадрена магнетна резонанца од <sup>3</sup> He со мало поместување и со масена спектрометрија. C <sub>84</sub> со затворен хелиум може да содржи 20% He <sub>2</sub> @C <sub>84</sub>, додека C <sub>78</sub> има 10% и C <sub>76</sub> има 8%. Поголемите шуплини имаат поголема веројатност да држат повеќе атоми. Дури и кога двата атома на хелиум се поставени блиску еден до друг во мал кафез, меѓу нив нема хемиска врска. Присуство на два He-атоми во <sub>C60</sub> фулерен кафез само се предвидува дека има мал ефект врз реактивноста на фулеренот. Ефектот е да се повлечат електроните од ендохедралните атоми на хелиум, давајќи им благо позитивнопарцијално полнење за да се произведе He <sub>2</sub><sup>δ+</sup>, кои имаат посилна врска од ненаелектризираните атоми на хелиум. Меѓутоа, според дефиницијата Лоудин постои присутна врска.
Двата атома на хелиум во кафезот C <sub>60</sub> се одвоени со 1,979Å и растојанието од атом на хелиум до јаглеродниот кафез е 2,507Å. Преносот на полнежот дава 0,011 електронски единици за полнење на секој атом на хелиум. Треба да има најмалку 10 нивоа на вибрации за парот He-He.