ไอรอน(I) ไฮไดรด์

ชื่อ
ชื่อตามระบบ IUPAC ไฮดริโดไอออน(3•)
ตัวระบุ
หมายเลข CAS	15600-68-7
โมเดล 3 มิติ ( JSmol )	ภาพแบบโต้ตอบ
แดชบอร์ด CompTox ( EPA )	DTXSID001045306
อินชิ InChI=1S/Fe.H คีย์: VWDRTGQNZKYVEZ-UHFFFAOYSA-N
รอยยิ้ม [Fe][H]
คุณสมบัติ
สูตรเคมี	เฟเอช3•
มวลโมลาร์	56.853 กรัม/โมล
เทอร์โมเคมี
เอนทาลปีมาตรฐานของการเกิด(Δ H ⦵ )	450.6 กิโลจูล/โมล
สารประกอบที่เกี่ยวข้อง
สารประกอบที่เกี่ยวข้อง	ไอรอนไฮไดรด์ , ​​FeH₂ CrH₂ , CaH₂ , MgH₂
เว้นแต่จะระบุไว้เป็นอย่างอื่น ข้อมูลที่ให้ไว้เป็นข้อมูลสำหรับวัสดุในสภาวะมาตรฐาน (ที่อุณหภูมิ 25 °C [77 °F] ความดัน 100 kPa) ข้อมูลอ้างอิงในกล่องข้อมูล

ไอรอน(I) ไฮไดรด์หรือที่เรียกอย่างเป็นทางการว่าไอรอนไฮไดรด์และโพลี(ไฮดริโดไอรอน)เป็นสารประกอบอนินทรีย์ ของแข็ง ที่มีสูตรทางเคมีคือ (FeH)(เขียนอีกแบบว่า([FeH]))หรือ FeH) สารนี้ไม่เสถียรทั้งในเชิงอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์ต่อการสลายตัวที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นจึงมีข้อมูลน้อยมากเกี่ยวกับคุณสมบัติโดยรวมของมัน

ไอรอน(I) ไฮไดรด์เป็นพอลิเมอร์ไอรอนไฮไดรด์ที่ง่ายที่สุด เนื่องจากความไม่เสถียร จึงไม่มีการใช้งานทางอุตสาหกรรมในทางปฏิบัติ อย่างไรก็ตาม ใน เคมี โลหะวิทยาไอรอน(I) ไฮไดรด์เป็นสารตั้งต้นที่สำคัญสำหรับโลหะผสมเหล็ก-ไฮโดรเจนบางรูป แบบ

ชื่อระบบไอรอนไฮไดรด์ ซึ่งเป็นชื่อ IUPACที่ถูกต้องถูกสร้างขึ้นตามระบบการตั้งชื่อตามองค์ประกอบ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากชื่อนี้มีลักษณะเป็นองค์ประกอบ จึงไม่สามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างสารประกอบที่มีสัดส่วนทางเคมีเดียวกัน เช่น โมเลกุลที่มีคุณสมบัติทางเคมีที่แตกต่างกัน ชื่อระบบโพลี(ไฮดริโดไอรอน)และโพลี[เฟอร์เรน(1)]ซึ่งเป็นชื่อ IUPAC ที่ถูกต้องเช่นกัน ถูกสร้างขึ้นตามระบบการตั้งชื่อแบบเพิ่มและแบบแทนที่อิเล็กตรอนที่ขาดหายไป ตามลำดับ ซึ่งสามารถแยกแยะสารประกอบหลักออกจากสารประกอบอื่นๆ ได้

ไฮดริโดไอออน หรือเรียกอีกอย่างว่าเฟอร์เรน(1) เป็นสารประกอบที่เกี่ยวข้องที่มีสูตรเคมี FeH (หรือเขียนว่า [FeH]) สารประกอบนี้ไม่เสถียรที่อุณหภูมิห้องและมีแนวโน้มที่จะเกิดพอลิเมอไรเซชันเอง จึงไม่สามารถมีความเข้มข้นได้

ไฮดริโดไอออนเป็นไฮไดรด์ของเหล็กโมเลกุลที่ง่ายที่สุด นอกจากนี้ยังอาจถือได้ว่าเป็นโมโนเมอร์ของเหล็ก(I) ไฮไดรด์ มีการตรวจพบไฮดริโดไอออนในรูปแยกเดี่ยวเฉพาะในสภาพแวดล้อมสุดขั้ว เช่น ถูกกักอยู่ในก๊าซเฉื่อย แช่แข็ง ในชั้นบรรยากาศของดาวฤกษ์เย็นหรือในรูปก๊าซที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของเหล็ก สันนิษฐานว่ามีพันธะวาเลนซ์ ที่ว่างอยู่สามพันธะ ดังนั้นจึงเป็นอนุมูลอิสระสูตรของมันอาจเขียนได้ว่า FeH₃ ^•เพื่อเน้นย้ำข้อเท็จจริงนี้

ที่อุณหภูมิต่ำมาก (ต่ำกว่า 10 K ) FeH อาจสร้างสารเชิงซ้อนกับไฮโดรเจนโมเลกุล FeH·H ได้^{[ 1 ]}

ไฮดริโดไอออนถูกค้นพบครั้งแรกในห้องปฏิบัติการโดย บี. เคลแมน และ แอล. อาเคอร์ลินด์ ในช่วงทศวรรษ 1950

อิเล็กตรอนเดี่ยวของอะตอมหรือโมเลกุลชนิดอื่นสามารถรวมตัวกับอะตอมเหล็กในไฮดริโดไอออนได้โดยวิธีการแทนที่:

[FeH] + RR → [FeHR] + ·R

เนื่องจากการจับอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว ไฮดริโดไอออนจึงมี ลักษณะ เป็นอนุมูลอิสระ ไฮดริโดไอออนเป็นอนุมูลอิสระที่แรงมาก

คู่ของอิเล็กตรอนในเบสของลูอิสสามารถรวมตัวกับอะตอมเหล็กได้โดยกระบวนการแอดดักชัน:

[FeH] + :L → [FeHL]

เนื่องจากการจับอิเล็กตรอนคู่ ที่ถูกดึงเข้ามานี้ ไฮดริโดไอออนจึงมี คุณสมบัติ เป็นกรดลูอิสคาดว่าเหล็ก(I) ไฮไดรด์จะมีคุณสมบัติเป็นอนุมูลอิสระลดลงอย่างมาก แต่มีคุณสมบัติเป็นกรดคล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ตาม อัตราการเกิดปฏิกิริยาและค่าคงที่สมดุลนั้นแตกต่างกัน

ในไอรอน(I) ไฮไดรด์ อะตอมจะรวมตัวกันเป็นโครงข่าย โดยอะตอมแต่ละตัวจะเชื่อมต่อกันด้วยพันธะโควาเลนต์เนื่องจากเป็นของแข็งพอลิเมอร์ จึงไม่คาดว่าตัวอย่างผลึกเดี่ยวจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะ เช่น การหลอมเหลวและการละลาย เพราะการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะต้องมีการจัดเรียงพันธะโมเลกุลใหม่ และส่งผลให้เอกลักษณ์ทางเคมีเปลี่ยนไป ส่วนตัวอย่างผลึกคอลลอยด์ ซึ่งแรงระหว่างโมเลกุลมีความสำคัญ คาดว่าจะเกิดการเปลี่ยนแปลงสถานะได้

ไอรอน(I) ไฮไดรด์มีโครงสร้างผลึกแบบหกเหลี่ยมอัดแน่นสองชั้น (double hexagonal close-packed) โดยมีกลุ่มพื้นที่ P6 /mmc หรือเรียกอีกอย่างว่า ไอรอนไฮไดรด์เอปซิลอนไพรม์ (epsilon-prime iron hydride) ในบริบทของระบบเหล็ก-ไฮโดรเจน คาดว่าจะแสดงปรากฏการณ์โพลีมอร์ฟิซึม (polymorphism) โดยจะเปลี่ยนโครงสร้างผลึกเป็นโครงสร้างผลึกแบบศูนย์กลางหน้า (face-centred crystalline structure) ที่มีกลุ่มพื้นที่ Fm 3 m ที่อุณหภูมิต่ำกว่า −173 °C (−279 °F)

คาดว่า FeH จะมีสถานะพื้นฐานแบบควอเต็ตและแบบเซ็กซ์เต็ต

โมเลกุล FeH มีสถานะอิเล็กตรอนพลังงานต่ำอย่างน้อยสี่สถานะที่เกิดจากอิเล็กตรอนที่ไม่เกิดพันธะซึ่งเข้าไปอยู่ในตำแหน่งในออร์บิทัลที่แตกต่างกัน ได้แก่ X 4 ^Δ , a ⁶ Δ b ⁶ Π, ^{[ 2 ]}และ c ⁶ Σ ^{+ [ 3 ]}สถานะพลังงานที่สูงกว่าเรียกว่า B ⁴ Σ ⁻ , C ⁴ Φ, D ⁴ Σ ⁺ , E ⁴ Π และ F ⁴ Δ ^{[ 4 ]}ระดับที่สูงกว่านั้นเรียกว่า G ⁴ Π และ H ⁴ Δ จากระบบควอเต็ต และ d ⁶ Σ ⁻ , e ⁶ Π, f ⁶ Δ และ g ⁶ Φ ^{[ 2 ]}ในสถานะควอเต็ต เลขควอนตัมภายใน J จะมีค่าเป็น 1/2, 3/2, 5/2 และ 7/2

FeH มีแถบการดูดกลืนที่สำคัญ (เรียกว่าแถบวิง-ฟอร์ด ) ในช่วงอินฟราเรดใกล้โดยมีขอบแถบที่ 989.652 นาโนเมตร และการดูดกลืนสูงสุดที่ 991 นาโนเมตร^{[ 5 ]}นอกจากนี้ยังมีเส้นในสีน้ำเงินที่ 470 ถึง 502.5 นาโนเมตร และในสีเขียวตั้งแต่ 520 ถึง 540 นาโนเมตร^{[ 6 ]}

การเลื่อนไอโซโทปเล็กน้อยของ FeD ที่ถูกดิวเทอเรตเมื่อเทียบกับ FeH ที่ความยาวคลื่นนี้แสดงให้เห็นว่าแถบเกิดจากการเปลี่ยนผ่าน (0,0) จากสถานะพื้นฐานกล่าวคือ F ⁴ Δ—X ⁴ Δ ^{[ 7 ]}

แถบอื่นๆ ต่างๆ มีอยู่ในแต่ละส่วนของสเปกตรัมเนื่องจากการเปลี่ยนผ่านการสั่นสะเทือนที่แตกต่างกัน^{[ 8 ]}แถบ (1,0) ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนผ่าน F ⁴ Δ—X ⁴ Δ เช่นกัน อยู่ที่ประมาณ 869.0 นาโนเมตร และแถบ (2,0) อยู่ที่ประมาณ 781.8 นาโนเมตร^{[ 4 ]}

ภายในแต่ละแถบจะมีเส้นจำนวนมาก เส้นเหล่านี้เกิดจากการเปลี่ยนผ่านระหว่างสถานะการหมุนที่แตกต่างกัน เส้นเหล่านี้ถูกจัดกลุ่มเป็นแถบย่อย⁴ Δ — ⁴ Δ (แรงที่สุด) และ⁴ Δ — ⁴ Δ , ⁴ Δ — ⁴ Δ และ⁴ Δ — ⁴ Δ ตัวเลขเช่น 7/2 คือค่าสำหรับΩ ซึ่งเป็น ส่วนประกอบของสปิน^{[ 8 ]}แต่ละแถบเหล่านี้มีสองสาขาคือ P และ R และบางแถบมีสาขา Q ภายในแต่ละแถบจะมีสิ่งที่เรียกว่าการแยก Λ ซึ่งส่งผลให้เกิดเส้นพลังงานต่ำ (กำหนดเป็น "a") และเส้นพลังงานสูง (เรียกว่า "b") สำหรับแต่ละแถบเหล่านี้จะมีชุดของเส้นสเปกตรัมที่ขึ้นอยู่กับ J ซึ่งเป็นเลขควอนตัมการหมุน โดยเริ่มจาก 3.5 และเพิ่มขึ้นทีละ 1 ค่า J จะสูงขึ้นเท่าใดนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ นอกจากนี้ยังมีสาขาดาวเทียม 12 สาขา⁴ Δ — ⁴ Δ , ⁴ Δ — ⁴ Δ , ⁴ Δ — ⁴ Δ , ⁴ Δ — ⁴ Δ , ⁴ Δ — ⁴ Δ และ⁴ Δ — ⁴ Δ มีสาขา P และ R ^{[ 5 ]}

เส้นบางเส้นมีความไวต่อสนามแม่เหล็ก เช่น 994.813 และ 995.825 นาโนเมตร เส้นเหล่านี้จะกว้างขึ้นเนื่องจากปรากฏการณ์ซีแมนในขณะที่เส้นอื่นๆ ในแถบเดียวกันนั้นไม่ไวต่อสนามแม่เหล็ก เช่น 994.911 และ 995.677 นาโนเมตร^{[ 9 ]}มีเส้นทั้งหมด 222 เส้นในสเปกตรัมแถบ (0-0) ^{[ 10 ]}

ไอรอนไฮไดรด์เป็นหนึ่งในโมเลกุลไม่กี่ชนิดที่พบในดวงอาทิตย์^{[ 11 ]}มีการรายงานเส้นสำหรับ FeH ในส่วนสีน้ำเงินเขียวของสเปกตรัมดวงอาทิตย์ในปี 1972 รวมถึงเส้นดูดกลืนจำนวนมากในปี 1972 ^{[ 6 ]}นอกจากนี้ เงามืด ของจุดดวงอาทิตย์ยังแสดงแถบวิง-ฟอร์ดอย่างเด่นชัด^{[ 8 ]}

แถบสำหรับ FeH (และไฮไดรด์อื่นๆ ของโลหะทรานซิชันและโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ ) ปรากฏเด่นชัดในสเปกตรัมการปล่อยแสงสำหรับดาวแคระ Mและดาวแคระ L ซึ่งเป็นดาวแคระน้ำตาลชนิดที่ร้อนที่สุด สำหรับดาวแคระ T ที่เย็นกว่า แถบสำหรับ FeH จะไม่ปรากฏ^{[ 12 ]}อาจเป็นเพราะเมฆเหล็กเหลวบดบังทัศนวิสัยของชั้นบรรยากาศ และแยกมันออกจากเฟสแก๊สของชั้นบรรยากาศ สำหรับดาวแคระน้ำตาลที่เย็นกว่า (<1350 K) สัญญาณสำหรับ FeH จะปรากฏขึ้นอีกครั้ง ซึ่งอธิบายได้จากการที่เมฆมีช่องว่าง^{[ 13 ]}

คำอธิบายเกี่ยวกับชนิดของดาวฤกษ์ที่แถบ FeH Wing-Ford ปรากฏนั้น คือ อุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 3000 K และความดันสูงพอที่จะทำให้เกิดโมเลกุล FeH จำนวนมาก เมื่ออุณหภูมิสูงถึง 4000 K เช่นในดาวแคระ Kเส้นสเปกตรัมจะอ่อนลงเนื่องจากโมเลกุลแตกตัวมากขึ้น ใน ดาว ยักษ์แดง Mความดันก๊าซต่ำเกินไปสำหรับการก่อตัวของ FeH ^{[ 7 ]}

^{กาแล็กซีรูปวงรีและรูปเลนส์ยังมีแถบวิง-ฟอ ร์}ดที่สังเกตได้ เนื่องจากแสงส่วนใหญ่มาจากดาวแคระ M [ ^{8 ]}

ในปี 2021 ได้มีการยืนยันว่ามีร่องรอยของ FeH อยู่ในชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีร้อน WASP -79b ^{[ 14 ]}

เคลแมนและอเคอร์ลินด์ได้ผลิต FeH ขึ้นในห้องทดลองเป็นครั้งแรก โดยการให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึง 2600 เคลวินในเตาเผาแบบคิงภายใต้บรรยากาศไฮโดรเจนบางๆ

โมเลกุล FeH ยังสามารถได้รับ (พร้อมกับ FeH และชนิดอื่นๆ) โดยการระเหยเหล็กในบรรยากาศอาร์กอน-ไฮโดรเจนและแช่แข็งก๊าซบนพื้นผิวของแข็งที่อุณหภูมิประมาณ 10 K (-263 °C ) สารประกอบนี้สามารถตรวจจับได้ด้วยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดและประมาณครึ่งหนึ่งจะหายไปเมื่อตัวอย่างถูกทำให้ร้อนขึ้นถึง 30 K ในช่วงเวลาสั้นๆ^{[ 15 ]}เทคนิคอีกแบบหนึ่งใช้บรรยากาศไฮโดรเจนบริสุทธิ์ที่ควบแน่นที่ 4 K ^{[ 1 ]}

กระบวนการนี้ยังสร้างโมเลกุลที่คิดว่าเป็น FeH ^แต่ต่อมาถูกกำหนดให้เป็นการรวมกันของ FeH และไฮโดรเจนโมเลกุล H ^{[ 16} ]

โมเลกุล FeH ถูกสร้างขึ้นโดยการสลายตัวของ⁵⁷ Co ที่ฝังอยู่ในไฮโดรเจนแข็งสเปกโทรสโกปี Mössbauerเผยให้เห็นการเลื่อนไอโซเมอร์ 0.59 มม./วินาที เมื่อเทียบกับเหล็กโลหะ และการแยกควอดรูโพล 2.4 มม./วินาที^{[ 17 ]} FeH ยังสามารถผลิตได้จากการโต้ตอบระหว่างไอของเหล็กเพนตาคาร์บอนิลและไฮโดรเจนอะตอมในการปล่อยประจุไมโครเวฟ^{[ 18 ]}

• โครเมียมไฮไดรด์
• แมกนีเซียมโมโนไฮไดรด์
• แคลเซียมโมโนไฮไดรด์

• บรรณานุกรม FeHจากExoMol