Ученые обнаружили потенциальное существование новой причудливой молекулы, связанной с водой. Этот ион, получивший название «акводий», может образовываться в экстремальных условиях и может объяснить некоторые странности ледяных планет-гигантов нашей солнечной системы.
С самых первых уроков естествознания в школе мы знаем, что химическая формула воды Это H2O, то есть он состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. Это верно в большинстве случаев, но, конечно, не всегда все так просто: примерно в 1 из 500 миллионов молекул воды протоны могут перемещаться между атомами, создавая соответствующие ионы гидроксид (OH-) и гидроксоний (H3O+).
В рамках нового исследования исследователи из России и Китая определили новый тип водянистых ионов, который может существовать в экзотических условиях. Ключом к разгадке является «шаблон» для создания вероятных молекул, известный как гибридизация sp3: короче говоря, у некоторых атомов есть четыре «слота» для соединения с другими атомами или ионами. В случае с кислородом два из этих слотов доступны для атомов, часто водорода — и бац, у вас есть H2O, обычная вода. Два других слота заняты электронными парами, которые не могут образовывать связи с атомами, но могут ловить свободные протоны. Добавьте сюда еще один, и вы получите гидроксоний. Последний слот обычно остается пустым, но команда задалась вопросом, всегда ли так должно быть.
Диаграммы строения молекул воды, гидроксония и акводияСколтех
«Вопрос заключался в следующем: можете ли вы добавить еще один протон к иону гидроксония, чтобы заполнить недостающий фрагмент?», — сказал профессор Сяо Донг, автор исследования. «Такая конфигурация в нормальных условиях энергетически очень невыгодна, но наши расчеты показывают, что есть две вещи, которые могут привести к тому, что это произойдет. Во-первых, очень высокое давление вынуждает материю уменьшать свой объем, и разделение ранее неиспользованной электронной пары кислорода с ионом водорода (протоном) является изящным способом сделать это: как ковалентная связь с водородом, за исключением того, что оба электрона в паре приходят в движение. от кислорода. Во-вторых, вам нужно много доступных протонов, а это означает кислую среду, потому что именно это и делают кислоты — они отдают протоны».
Используя расширенное моделирование, команда проверила, может ли это произойти с плавиковой кислотой и водой. в экстремальных условиях. И действительно, при давлении около 1,5 миллиона атмосфер и температуре около 3000 °C (5432 °F) начали появляться новые ионы. Названные акводием, они имели химическую формулу H4O2+.
Интересно, что эти странные ионы могут раскрыть некоторые загадки Солнечной системы. Ледяные гиганты, Уран и Нептун, обладают странными магнитными полями, которые не совпадают с вращением планет или их физическими центрами. Акводий может быть ответственен за генерацию этих магнитных полей, и что интересно, давление и температура в глубине этих планет аналогичны тем, которые были указаны в симуляциях команды.
«Водород, окружающий скалистое ядро Юпитера в этих условиях, представляет собой жидкость металл: он может течь, как течет расплавленное железо в недрах Земли, а его электропроводность обусловлена свободными электронами, общими для всех атомов водорода, сжатых вместе», — сказал Артем Оганов, соавтор исследования. «Мы думаем, что на Уране сами ионы водорода, то есть протоны, являются свободными носителями заряда. Не обязательно в виде отдельных ионов H+, но возможно в виде гидроксония H3O+, аммония NH4+ и ряда других ионов. Наше исследование добавляет еще одну возможность — ион H4O2+, который чрезвычайно интересен с химической точки зрения».
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review B.
