Ученые Сколтеха и их китайские коллеги определили условия, которые делают возможным существование весьма своеобразного иона. Названный акводием, его можно представить как обычную нейтральную молекулу воды с двумя дополнительными протонами, прикрепленными к ней, что приводит к образованию двойного положительного заряда.
Команда предполагает, что ион может быть стабильным внутри ледяных гигантов Урана и Нептуна, и если это так, то он должен играть роль в механизме, который порождает необычные магнитные поля этих планет. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Странный магнетизм
Магнитные поля Урана и Нептуна изучены не так хорошо, как поля Юпитера и Сатурна – или, если уж на то пошло, нашей собственной планеты.
В недрах Земли циркуляция электропроводящего жидкого железо-никелевого сплава порождает магнетизм. Считается, что глубоко внутри Юпитера и Сатурна водород сжимается до металлического состояния и таким же образом порождает магнитные поля.
Напротив, предполагается, что магнитные поля Урана и Нептуна возникают в результате циркуляции ионно-проводящей среды, где составляющие ионы сами являются носителями заряда, а не просто опорной структурой, обеспечивающей поток электронов.
Если бы ученые-планетологи точно знали, какие ионы и в каких пропорциях задействованы, возможно, они смогли бы понять, почему магнитосферы ледяных гигантов такие причудливые: они не совпадают с направлением вращения планет и смещены относительно их физических центров.
Профессор Сколтеха Артем Оганов, соавтор статьи, объясняет, чем ионная и электронная проводимости отличаются и какое место в этом занимает недавно предсказанный ион: «Водород, окружающий скалистое ядро Юпитера в таких условиях, представляет собой жидкий металл : он может течь , способ течения расплавленного железа в недрах Земли и его электропроводность обусловлены свободными электронами, общими для всех атомов водорода, спрессованных вместе.
«На Уране мы думаем, что сами ионы водорода , т. е. протоны, являются свободными носителями заряда. Не обязательно в виде отдельных ионов H + , но, возможно, в форме гидроксония H 3 O + , аммония NH 4 + и ряда другие ионы. Наше исследование добавляет еще одну возможность — ион H 4 O 2+ , который чрезвычайно интересен с химической точки зрения».
Пропущенная ссылка
В химии существует понятие sp 3- гибридизации, которое относится к способу соединения электронных орбиталей друг с другом и представляет собой что-то вроде естественной матрицы для создания вероятных 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, недоступных 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: CH 4 .
Для атома кислорода, который имеет две собственные электронные пары во внешней оболочке вместе с двумя валентными электронами, sp 3 -гибридизация будет означать, что только две вершины могут содержать ковалентную связь с водородом, а оставшиеся две заняты электронными парами. , что дает H 2 O, воду.
Если присоединить ион водорода (протон) к одной из пар электронов, то получится ион гидроксония H 3 O + , и это собственно то, что вы получаете в растворе кислоты, поскольку кислоты отдают в раствор протоны H + и оставляют протоны немедленно притягиваются к электронным парам .
Давление и кислота
«Но вопрос заключался в следующем: можете ли вы добавить еще один протон к иону гидроксония, чтобы заполнить недостающий фрагмент? Такая конфигурация в нормальных условиях энергетически очень невыгодна, но наши расчеты показывают, что есть две вещи, которые могут заставить это произойти», — говорит Профессор Сяо Донг из китайского университета Нанкай, чья оригинальная идея лежит в основе этого исследования.
«Во-первых, очень высокое давление вынуждает материю уменьшать свой объем, и совместное использование ранее неиспользованной электронной пары кислорода с ионом водорода (протоном) — это изящный способ сделать это: как ковалентная связь с водородом, за исключением того, что оба электрона в паре происходят из кислорода. Во-вторых, вам нужно много доступных протонов, а это означает кислую среду, потому что именно это и делают кислоты — они отдают протоны».
Команда использовала передовые вычислительные инструменты, чтобы предсказать, что происходит с плавиковой кислотой и водой в экстремальных условиях. Результат: при давлении около 1,5 миллиона атмосфер и температуре около 3000 градусов по Цельсию в моделировании появляются хорошо разделенные ионы акводия H 4 O 2+ .
Ученые считают, что их недавно открытый ион должен сыграть 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 с жидкой водой создает чрезвычайно высокое давление и также можно ожидать некоторого количества кислоты. Если это так, ионы акводия будут формироваться и, участвуя в циркуляции океана, будут вносить вклад в магнитные поля и другие свойства этих планет способами, отличными от других ионов.
Возможно, в таких экстремальных условиях акводий мог бы даже образовывать пока неизвестные минералы.
