Внутри Урана и Нептуна может скрываться диковинная молекула, влияющая на их магнитные поля.

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 ионы водорода, то есть протоны, сами по себе являются свободными носителями заряда. Не обязательно в виде отдельных ионов H+, но, возможно, в форме гидроксония H3O+, аммония NH4+ и ряда других ионов. Наше исследование добавляет еще одна возможность — ион H4O2+, который чрезвычайно интересен с химической точки зрения».

Пропущенная ссылка

В химии существует понятие sp3-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: CH4.

Для атома кислорода, который имеет две собственные электронные пары во внешней оболочке вместе с двумя валентными электронами, sp3-гибридизация будет означать, что только две вершины могут содержать ковалентную связь с водородом, а оставшиеся две заняты электронными парами. что дает H2O, воду.

Если вы присоедините ион водорода (протон) к одной из электронных пар, вы получите ион гидроксония H3O+, и это, собственно, то, что вы получаете в растворе кислоты, потому что кислоты отдают протоны H+ в раствор, и одинокие протоны сразу же притягиваются. 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 H4O2+.

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.

Информация от: Сколковским институтом науки и технологий.