_ O moleculă ciudată poate să pândească în interiorul lui Uranus și Neptun, afectându-le câmpurile magnetice

Oamenii de știință de la Skoltech și colegii lor chinezi au determinat condițiile care permit existența unui ion foarte ciudat. Numit aquodiu, poate fi conceptualizat ca o moleculă neutră obișnuită de apă cu doi protoni suplimentari lipiți de ea, rezultând o sarcină netă dublă pozitivă.

Echipa sugerează că ionul ar putea fi stabil în interiorul giganții de gheață Uranus și Neptun și, dacă da, trebuie să joace un rol în mecanismul care dă naștere câmpurilor magnetice neobișnuite ale acestor planete. Studiul este publicat în Physical Review B

Câmpurile magnetice ale lui Uranus și Neptun nu sunt înțelese la fel de bine ca cele ale lui Jupiter și Saturn – sau a propriei planete, de altfel.

În interiorul Pământului, circulația aliajului fier-nichel lichid conductor electronic produce magnetism. În adâncul lui Jupiter și Saturn, se crede că hidrogenul este presat într-o stare metalică și dă naștere câmpurilor magnetice în același mod.

În schimb, se presupune că câmpurile magnetice ale lui Uranus și Neptun provin din circulația mediilor conductoare ionic, unde ionii constituenți sunt ei înșiși purtători de sarcină, mai degrabă decât o simplă structură de sprijin care permite fluxul de electroni.

Dacă oamenii de știință planetari ar ști exact ce ioni și în ce proporții sunt implicați, poate au putut să-și dea seama de ce magnetosferele giganților de gheață sunt atât de ciudate: nealiniate cu direcția de rotație a planetelor și decalate față de centrii lor fizici.

Profesorul Skoltech Artem R. Oganov, care a fost coautor al lucrării. , explică modul în care conductivitatea ionică și electronică sunt diferite și unde se încadrează ionul nou prezis în aceasta: „Hidrogenul care înconjoară miezul stâncos al lui Jupiter în acele condiții este un metal lichid: poate curge, așa cum curge fierul topit în interiorul Pământului și Conductivitatea electrică se datorează electronilor liberi împărtășiți de toți atomii de hidrogen presați împreună.

„În Uranus, credem că ionii de hidrogen înșiși – adică protonii – sunt purtătorii de sarcină liberi. Nu neapărat ca ioni H+ autonomi, dar poate sub formă de hidroniu H3O+, amoniu NH4+ și o serie de alți ioni. Studiul nostru adaugă încă o posibilitate, ionul H4O2+, care este extrem de interesant din punct de vedere chimic.”

În chimie, există noțiunea de hibridizare sp3, care se referă la modul în care orbitalii electronilor se combină între ei și înseamnă ceva asemănător unui șablon natural pentru a produce molecule și ioni plauzibili. În cadrul hibridizării sp3, nucleul unui atom - de exemplu, carbon, azot sau oxigen - ocupă punctul central al unui tetraedru imaginar.

Fiecare. dintre cele patru vârfuri găzduiește fie un electron de valență, fie doi electroni perechi care nu sunt disponibili pentru a face legături cu alți atomi. Cel mai simplu exemplu ar fi un atom de carbon cu patru electroni nepereche la cele patru vârfuri - adăugați patru atomi de hidrogen și obțineți un metan. moleculă: CH4.

Pentru un atom de oxigen, care are două perechi de electroni proprii în învelișul cel mai exterior, împreună cu doi electroni de valență, hibridizarea sp3 ar însemna că doar două dintre vârfuri ar putea găzdui o legătură covalentă cu hidrogen, restul doi fiind ocupați de perechi de electroni, ceea ce dă H2O, apă.

Dacă atașați un ion de hidrogen (un proton) la una dintre perechile de electroni, obțineți un ion de hidroniu H3O+ și acesta este de fapt ceea ce obțineți într-o soluție acidă, deoarece acizii donează protoni H+ în soluție și protonii singuri sunt imediat atrași de perechile de electroni.

„Dar întrebarea a fost: puteți adăuga încă un proton ionului de hidroniu pentru a completa piesa lipsă? O astfel de configurație în condiții normale este energetic foarte nefavorabilă, dar calculele noastre arată că există două lucruri care poate face ca acest lucru să se întâmple”, spune profesorul Xiao Dong de la Universitatea Nankai din China, a cărei idee originală stă la baza acestei cercetări.

„În primul rând, presiunea foarte mare obligă materia să-și reducă volumul și să împărtășească o pereche de electroni neutilizată anterior. oxigenul cu un ion de hidrogen (proton) este un mod corect de a face asta: ca o legătură covalentă cu hidrogenul, cu excepția faptului că ambii electroni din pereche provin din oxigen. În al doilea rând, ai nevoie de mulți protoni disponibili și asta înseamnă un mediu acid asta fac acizii – ei donează protoni.”

Echipa a folosit instrumente de calcul avansate pentru a prezice ce se întâmplă cu acidul fluorhidric și cu apă în condiții extreme. Rezultatul: Având în vedere o presiune de aproximativ 1,5 milioane de atmosfere și o temperatură de aproximativ 3.000 de grade Celsius, în simulare apar ioni de aquodiu H4O2+ bine separați.

Oamenii de știință cred că ionul lor recent descoperit ar trebui să joace un rol important. rol în comportamentul și proprietățile mediilor pe bază de apă, în special cele sub presiune și care conțin acid.

Acest lucru corespunde aproximativ condițiilor de pe Uranus și Neptun, unde un ocean de apă lichidă extrem de adânc produce presiuni extrem de mari și unele ar putea fi de așteptat și o cantitate de acid. Dacă da, ionii de aquodiu se vor forma și, prin participarea la circulația oceanului, vor contribui la câmpurile magnetice și la alte proprietăți ale acestor planete în moduri distincte de alți ioni.

Poate, acvodiu ar putea forma chiar minerale încă necunoscute. în acele condiții extreme.

(Fluierul)