Hélonium

L’hélonium est le cation diatomique de formule HeH⁺. Il consiste en un atome d'hélium lié à un atome d'hydrogène avec un électron en moins. C'est le plus stable et le mieux connu des hydrures d'hélium[alpha 2]. L'hélonium est le plus fort des acides connus.

Identification
Hélonium

Structure du cation hydrure d'hélium.
ChEBI	33688
SMILES	[He+][H] PubChem, vue 3D
InChI	Std. InChI : vue 3D InChI=1S/HHe/h1H/q+1 Std. InChIKey : HSFAAVLNFOAYQX-UHFFFAOYSA-N
Propriétés chimiques
Formule	H HeHeH⁺
Masse molaire[alpha 1]	5,010 54 ± 7,0E−5 g/mol H 20,12 %, He 79,88 %,

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Premier composé chimique formé dans l'Univers, l'hélonium a été synthétisé au laboratoire dès 1925 mais n'a été détecté dans l'espace qu'en 2019.

Découverte

Isoélectronique avec l'hydrogène moléculaire H₂, l'hélonium a été obtenu expérimentalement pour la première fois en 1925, par réaction de protons sur de l'hélium en phase gazeuse[1].

Détection

La présence d'hélonium dans le milieu interstellaire a été suggérée dans les années 1970[2], mais sa première détection sans équivoque n'a été rapportée qu'en 2019, dans la nébuleuse planétaire NGC 7027[3].

Propriétés physiques

La longueur de la liaison covalente de l'ion HeH⁺ vaut 77,2 pm[4]. C'est l'ion hétéronucléaire le plus simple, comparable au cation dihydrogène H₂⁺ ; cependant, contrairement à ce dernier, il possède un moment dipolaire permanent, ce qui rend sa caractérisation spectroscopique plus facile[5].

Propriétés chimiques

L'hélonium est l'acide le plus fort connu, avec une affinité protonique de 177,8 kJ/mol[6].

L'hydrure d'hélium réagit avec la plupart des substances. On a montré qu'il cède un proton au dioxygène O₂, à l'ammoniac NH₃, au dioxyde de soufre SO₂, à l'eau H₂O et au dioxyde de carbone CO₂ pour donner respectivement les espèces O₂H⁺, NH₄⁺, HSO₂⁺, H₃O⁺ et HCO₂⁺[7]. D'autres molécules, comme le monoxyde d'azote NO, le dioxyde d'azote NO₂, le protoxyde d'azote N₂O, le sulfure d'hydrogène H₂S, le méthane CH₄, l'acétylène C₂H₂, l'éthylène C₂H₄, l'éthane C₂H₆, le méthanol CH₃OH ou encore l'acétonitrile CH₃CN, réagissent avec l'hydrure d'hélium, mais se décomposent sous l'effet de la grande quantité d'énergie libérée par cette réaction[7].

Une technique employée pour étudier les réactions entre l'hydrure d'hélium et les substances organiques consiste à produire un dérivé tritié de ces substances et d'attendre la désintégration radioactive du tritium 3
1T pour former de l'hélium 3 3
2He+, qui réagit d'abord avec un atome d'hydrogène pour former le cation ³HeH⁺ : ce dernier réagit alors avec la substance organique environnante, permettant d'en étudier la réaction[7].

D'autres atomes d'hélium peuvent se lier au cation HeH⁺ pour former des agrégats plus larges tels que He₂H⁺, He₃H⁺, He₄H⁺, He₅H⁺ et He₆H⁺, ce dernier étant particulièrement stable[7].

Présence dans la nature

Univers primitif

L'hélonium est le premier composé chimique de l'histoire de l'Univers, formé moins de 380 000 ans après le Big Bang (après la recombinaison de l'hélium mais avant celle de l'hydrogène) par la réaction :

\mathrm {He} +\mathrm {H} ^{+}\rightarrow \mathrm {HeH} ^{+}+\gamma

Selon les calculs effectués dans le cadre du modèle ΛCDM, l'abondance cosmique de HeH⁺ a crû jusqu'à environ 10⁻¹³ (rapportée au nombre total de baryons) quand le décalage vers le rouge $z$ a décru de 2 000 à 20, environ, pour diminuer ensuite par photodissociation[8].

Univers actuel

NGC 7027, où l'ion HeH⁺ a été détecté, est une nébuleuse planétaire dense et très jeune (à peine 600 ans), située à environ 3 000 années-lumière dans la constellation du Cygne.

La première détection de HeH⁺ dans le milieu interstellaire, dans la nébuleuse NGC 7027, a été rapportée dans la revue Nature en avril 2019[3] - [9]. Ce pourrait être le premier composé formé dans l'univers[10], dans la mesure où l'hydrogène et l'hélium sont les deux principaux éléments chimiques issus de la nucléosynthèse primordiale. Les premières étoiles apparues dans l'univers, dites de population III, devaient contenir le cation HeH⁺ qui aurait influencé leur formation et leur évolution subséquente. En particulier, son fort moment dipolaire pourrait expliquer l'opacité des étoiles de très faible métallicité[9]. Cet ion serait également un constituant important de l'atmosphère des naines blanches riches en hélium, qu'il contribuerait à opacifier, ce qui ralentirait le refroidissement de ces astres[11].

Outre les nébuleuses planétaires denses[12] comme NGC 7027[9], l'ion HeH⁺ pourrait aussi être observé par exemple dans les étoiles à hélium froides[9] et les régions HII[12]. La détection spectroscopique de HeH⁺ est rendue compliquée par le fait que l'une des raies spectrales les plus intenses de cet ion, à 149,14 µm de longueur d'onde, coïncide avec un doublet de raies spectrales du radical méthylidyne ⫶CH[9].

HeH⁺ pourrait se former dans le gaz se refroidissant à la suite des ondes de choc parcourant les nuages interstellaires provoquées par les vents stellaires, les supernovae et les flux de matières éjectés des jeunes étoiles. Si la vitesse de ces chocs excède environ 90 km s⁻¹, ils pourraient provoquer la formation de quantités de HeH⁺ suffisantes pour être détectables. Si elles parvenaient à être détectées, les émissions d'ions HeH⁺ constitueraient un traceur utile pour ce type de chocs[13].

Notes et références

Notes

Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
Quand on parle de « l'hydrure d'hélium » sans autre précision, c'est en général de l'hélonium qu'il s'agit.

Références

(en) T. R. Hogness et E. G. Lunn, « The Ionization of Hydrogen by Electron Impact as Interpreted by Positive Ray Analysis », Physical Review, vol. 26, n^o 1,‎ juillet 1925, p. 44-55 (DOI 10.1103/PhysRev.26.44, Bibcode 1925PhRv...26...44H).
(en) J. Fernández et F. Martín, « Photoionization of the HeH⁺ molecular ion », Journal of Physics B: Atomic, Molecular, and Optical Physics, vol. 40, n^o 12,‎ juin 2007, p. 2471-2480 (DOI 10.1088/0953-4075/40/12/020, Bibcode 2007JPhB...40.2471F).
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Voir aussi

Bibliographie

Ryan C. Fortenberry, « La première molécule de l'univers », Pour la science, n^o 512,‎ juin 2020, p. 22-30.