|
Внутри Урана и Нептуна скрывается необычная молекула
|
|
|
|
Ученые Сколтеха и их китайские коллеги определили условия, при которых существует очень необычный ион. Получивший название aquodium, он может быть представлен как обычная нейтральная молекула воды с присоединенными к ней двумя дополнительными протонами, что приводит к получению двойного положительного заряда. Команда предполагает, что ион может быть стабильным внутри ледяных гигантов Урана и Нептуна, и если это так, то он должен играть определенную роль в механизме, который приводит к возникновению необычных магнитных полей этих планет. Исследование опубликовано в Physical Review B Магнитные поля Урана и Нептуна изучены не так хорошо, как магнитные поля Юпитера и Сатурна — или нашей собственной планеты, если уж на то пошло. В недрах Земли циркуляция жидкого железо-никелевого сплава, обладающего электронной проводимостью, создает магнетизм. Считается, что глубоко внутри Юпитера и Сатурна водород спрессован в металлическое состояние и создает магнитные поля почти таким же образом.
|
|
|
|
В отличие от этого, предполагается, что магнитные поля Урана и Нептуна обусловлены циркуляцией ионно-проводящих сред, в которых составляющие их ионы сами являются носителями заряда, а не просто опорной структурой, обеспечивающей поток электронов. Если бы планетологи точно знали, какие ионы и в каких пропорциях в них содержатся, возможно, они смогли бы понять, почему магнитосферы ледяных гигантов такие причудливые: они смещены относительно направления вращения планет и смещены от их физических центров. Профессор Сколтеха Артем Р. Оганов, соавтор статьи, объясняет, чем отличаются ионная и электронная проводимость и как с этим соотносится недавно предсказанный ион: "Водород, окружающий каменистое ядро Юпитера, при таких условиях представляет собой жидкий металл: он может течь подобно расплавленному железу в недрах Земли течет, а его электропроводность обусловлена свободными электронами, которыми делятся все атомы водорода, прижатые друг к другу.
|
|
|
"Мы считаем, что на Уране сами ионы водорода, то есть протоны, являются свободными носителями заряда. Не обязательно в виде отдельных ионов H+, но, возможно, в форме гидрония H3O+, аммония NH4+ и ряда других ионов. Наше исследование добавляет еще одну возможность - ион H4O2+, который чрезвычайно интересен с химической точки зрения". В химии существует понятие sp3-гибридизации, которое относится к способу объединения электронных орбиталей друг с другом и представляет собой нечто вроде естественного шаблона для создания правдоподобных молекул и ионов. При sp3—гибридизации ядро атома — например, углерода, азота или кислорода - занимает центральную точку воображаемого тетраэдра. В каждой из четырех вершин находится либо валентный электрон, либо два спаренных электрона, которые недоступны для образования связей с другими атомами. Простейшим примером может служить атом углерода с четырьмя неспаренными электронами в четырех вершинах — добавьте четыре атома водорода, и вы получите молекулу метана: CH4.
|
|
|
|
Для атома кислорода, который имеет две собственные электронные пары на самой внешней оболочке, наряду с двумя валентными электронами, гибридизация sp3 означала бы, что только две вершины могут содержать ковалентную связь с водородом, а оставшиеся две заняты электронными парами, что приводит к образованию H2O, воды. Если вы присоедините ион водорода (протон) к одной из электронных пар, вы получите ион гидрония H3O+, и это на самом деле то, что вы получите в растворе кислоты, потому что кислоты отдают протоны H+ в раствор, а отдельные протоны немедленно притягиваются к электронным парам. "Но вопрос был в следующем: можете ли вы добавить еще один протон к иону гидрония, чтобы заполнить недостающий фрагмент? Такая конфигурация в нормальных условиях энергетически очень неблагоприятна, но наши расчеты показывают, что есть две вещи, которые могут привести к этому", - говорит профессор Сяо Донг из Китайского университета Нанькай, чья оригинальная идея лежит в основе этого исследования.
|
|
|
|
"Во-первых, очень высокое давление вынуждает вещество уменьшать свой объем, и совместное использование ранее неиспользуемой электронной пары кислорода с ионом водорода (протоном) - отличный способ сделать это: подобно ковалентной связи с водородом, за исключением того, что оба электрона в паре происходят от кислорода. Во—вторых, вам нужно много доступных протонов, а это означает кислую среду, потому что именно это делают кислоты - они отдают протоны". Команда использовала передовые вычислительные инструменты, чтобы предсказать, что произойдет с плавиковой кислотой и водой в экстремальных условиях.
|
|
|
|
Результат: при давлении около 1,5 миллионов атмосфер и температуре около 3000 градусов Цельсия в процессе моделирования образуются хорошо разделенные ионы водорода H4O2+. Ученые считают, что недавно открытый ими ион должен играть важную роль в поведении и свойствах сред на водной основе, особенно тех, которые находятся под давлением и содержат кислоту. Это примерно соответствует условиям на Уране и Нептуне, где чрезвычайно глубокий океан жидкой воды создает чрезвычайно высокое давление, и также можно ожидать некоторого количества кислоты. Если это так, то ионы акводиума будут образовываться и, участвуя в циркуляции океана, будут влиять на магнитные поля и другие свойства этих планет способами, отличными от других ионов. Возможно, в этих экстремальных условиях акводиум может даже образовывать пока неизвестные минералы.
|
|
|
|
Источник
|
