Гидрид аргона

Гидрид аргона (ArH⁺) — это молекулярный ион, состоящий из атома аргона и протона (ядра водорода). Является простейшей и наиболее стабильной из известных молекул, содержащих аргон, который в обычных условиях представляет собой инертный газ и не образует устойчивых химических соединений. В нейтральном состоянии молекула ArH крайне нестабильна, однако в форме катиона ArH⁺ она проявляет значительную устойчивость и была обнаружена в межзвёздной среде, а также получена в лабораторных условиях.

История открытия

Теоретические предсказания

Возможность существования соединений благородных газов долгое время считалась маловероятной из-за их полностью заполненных электронных оболочек. Однако в 1925 году, задолго до синтеза первого соединения ксенона, немецкий химик Линус Паулинг теоретически предсказал возможность образования иона ArH⁺. В 1933 году он высказал предположение, что аргон может образовывать слабые связи в экстремальных условиях, но экспериментального подтверждения эта гипотеза не получила вплоть до второй половины XX века.

Лабораторный синтез

Впервые ион гидрида аргона был получен в лабораторных условиях в 1970-х годах методами масс-спектрометрии. Учёные из Университета штата Огайо под руководством Джона Х. Л. Брауна синтезировали ArH⁺ в газовой фазе, пропуская электрический разряд через смесь аргона и водорода. Масс-спектрометрический анализ подтвердил наличие частиц с массой 41 а.е.м., что соответствует иону [⁴⁰Ar¹H]⁺.

Астрономическое обнаружение

Долгое время ArH⁺ считался сугубо лабораторным феноменом. Однако в 2013 году с помощью космической обсерватории «Гершель» (Европейское космическое агентство, ESA) были получены спектры излучения, соответствующие вращательным переходам ArH⁺. Объект был обнаружен в Крабовидной туманности — остатке сверхновой, взорвавшейся в 1054 году. В 2014 году группа астрономов под руководством Майкла Барлоу (Университетский колледж Лондона) подтвердила идентификацию, и ArH⁺ стал первой молекулой, содержащей благородный газ, обнаруженной в космосе.

Физические и химические свойства

Структура и связь

Ион ArH⁺ имеет линейную структуру с длиной связи между аргоном и водородом около 1,28 ангстрема. Связь является ковалентной, но с сильным полярным характером: положительный заряд сосредоточен на атоме водорода, что делает молекулу сильным донором протона (кислотой Брёнстеда). Энергия диссоциации связи составляет примерно 4,4 эВ (около 425 кДж/моль), что сравнимо с энергией связи в молекуле HCl.

Спектроскопические характеристики

ArH⁺ обладает характерным вращательным спектром в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. Основные линии излучения для изотополога ⁴⁰Ar¹H⁺ находятся на частотах около 617,5 ГГц (переход J=1→0) и 1234,6 ГГц (J=2→1). Эти линии являются ключевыми для астрономических наблюдений.

Реакционная способность

В газовой фазе ArH⁺ является чрезвычайно сильной кислотой — его протонное сродство (способность отдавать протон) оценивается в 170–180 кДж/моль, что превосходит аналогичные показатели для HCl и HBr. При столкновении с молекулами воды или аммиака ArH⁺ мгновенно передаёт протон, превращаясь в нейтральный атом аргона: ArH⁺ + H₂O → Ar + H₃O⁺

Образование и распространение в космосе

Механизмы образования

В межзвёздной среде ArH⁺ образуется преимущественно в областях, где присутствуют ионизированный аргон и атомарный водород. Основные каналы синтеза:

1. Реакция иона Ar⁺ с молекулярным водородом H₂:

Ar⁺ + H₂ → ArH⁺ + H

1. Реакция возбуждённого аргона с протоном:

Ar* + H⁺ → ArH⁺

Условия существования

ArH⁺ стабилен только в средах с низкой плотностью и высокой температурой (до нескольких тысяч кельвинов), где молекулы воды и других акцепторов протонов отсутствуют. Такие условия характерны для остатков сверхновых, планетарных туманностей и областей ионизированного водорода (H II-областей).

Наблюдаемые объекты

Помимо Крабовидной туманности, ArH⁺ был обнаружен в спектрах нескольких планетарных туманностей, а также в межзвёздной среде галактики Млечный Путь. В 2019 году японские астрономы с помощью телескопа ALMA (Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решётка) зафиксировали линии ArH⁺ в направлении центра Галактики.

Значение для науки

Астрохимия

Обнаружение ArH⁺ в космосе подтвердило теоретические модели химии благородных газов в экстремальных условиях. Молекула служит индикатором физических параметров среды: по её спектральным линиям можно оценивать температуру, плотность и степень ионизации газа в туманностях.

Фундаментальная химия

ArH⁺ является уникальным объектом для изучения природы химической связи в ионах. Его существование демонстрирует, что даже самые инертные элементы могут образовывать стабильные соединения при определённых условиях, что расширяет границы представлений о химической периодичности.

Космология

Изучение изотопного состава ArH⁺ (отношение ³⁶Ar/⁴⁰Ar) позволяет оценивать содержание аргона в межзвёздной среде и моделировать процессы нуклеосинтеза в звёздах.

Интересные факты

• ArH⁺ является самой лёгкой из известных молекул, содержащих благородный газ, — её молекулярная масса составляет 41 а.е.м.
• В 2015 году ArH⁺ был включён в каталог межзвёздных молекул Колумбийского университета как один из наиболее экзотических объектов.
• В лабораторных условиях ArH⁺ может быть получен в виде кластеров с молекулами азота или углекислого газа, что открывает возможности для синтеза новых соединений благородных газов.

Источники

• Barlow M. J. et al. Detection of the noble gas molecule ArH⁺ in the Crab Nebula // Science, 2014, Vol. 343, Issue 6177, pp. 1342–1345.
• Pauling L. The Formulas of Antimonic Acid and the Antimonates // Journal of the American Chemical Society, 1933, Vol. 55, pp. 1895–1900.
• Schilke P. et al. ArH⁺ in the Galactic Center // Astronomy & Astrophysics, 2019, Vol. 628, A61.
• Roueff E. et al. The chemistry of ArH⁺ in the interstellar medium // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2014, Vol. 442, Issue 3, pp. 2185–2192.
• NIST Chemistry WebBook: ArH⁺ — Ion energetics data.