Ένα ιδιαίτερο ιόν του νερού μπορεί να εξηγεί την παράξενη φύση του Ποσειδώνα και του Ουρανού

Οι επιστήμονες ανακάλυψαν την πιθανή ύπαρξη ενός νέου παράξενου μορίου που σχετίζεται με το νερό. Το ιόν αυτό, που ονομάστηκε «aquodiium», θα μπορούσε να σχηματιστεί κάτω από ακραίες συνθήκες και μπορεί να εξηγήσει κάποια από τα περίεργα χαρακτηριστικά των παγωμένων γιγάντιων πλανητών του Ηλιακού Συστήματος μας.

Από τα πρώτα μαθήματα φυσικών επιστημών στο σχολείο, γνωρίζουμε ότι ο χημικός τύπος του νερού είναι H2O, που σημαίνει ότι αποτελείται από δύο άτομα υδρογόνου συνδεδεμένα με ένα άτομο οξυγόνου. Αυτό ισχύει για τη συντριπτική πλειοψηφία του κόσμου, αλλά φυσικά δεν είναι πάντα τόσο απλό: σε περίπου 1 στα 500 εκατομμύρια μόρια νερού, τα πρωτόνια μπορούν να μετακινηθούν μεταξύ των ατόμων, δημιουργώντας τα συγγενή ιόντα υδροξείδιο (OH-) και υδρόνιο (H3O+).

Για τη νέα μελέτη, ερευνητές από τη Ρωσία και την Κίνα εντόπισαν έναν νέο τύπο υδάτινου ιόντος που θα μπορούσε να υφίσταται υπό εξωτικές συνθήκες. Το στοιχείο βρίσκεται σε ένα «πρότυπο» για τη δημιουργία αληθοφανών μορίων, γνωστό ως υβριδισμός sp3: εν ολίγοις, ορισμένα άτομα έχουν τέσσερις «υποδοχές» για να συνδεθούν με άλλα άτομα ή ιόντα. Στην περίπτωση του οξυγόνου, δύο από αυτές τις υποδοχές είναι διαθέσιμες για άτομα, συχνά υδρογόνο, οπότε έχουμε το H2O, το συνηθισμένο νερό. Οι άλλες δύο θέσεις καταλαμβάνονται από ζεύγη ηλεκτρονίων, τα οποία δεν μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς με άτομα, αλλά μπορούν να συλλάβουν ελεύθερα πρωτόνια. Ρίξτε ένα επιπλέον εκεί και έχετε το υδρόνιο. Η τελευταία υποδοχή παραμένει συνήθως κενή, αλλά η ομάδα αναρωτήθηκε αν αυτό έπρεπε να συμβαίνει πάντα.

«Το ερώτημα ήταν: Μπορούμε να προσθέσουμε άλλο ένα πρωτόνιο στο ιόν υδρονίου για να συμπληρώσουμε το κομμάτι που λείπει;», δήλωσε ο καθηγητής Xiao Dong, συντάκτης της μελέτης. «Μια τέτοια διαμόρφωση σε κανονικές συνθήκες είναι ενεργειακά πολύ δυσμενής, αλλά οι υπολογισμοί μας δείχνουν ότι υπάρχουν δύο πράγματα που μπορούν να το κάνουν να συμβεί. Πρώτον, η πολύ υψηλή πίεση αναγκάζει την ύλη να μειώσει τον όγκο της, και η κοινή χρήση ενός προηγουμένως αχρησιμοποίητου ζεύγους ηλεκτρονίων του οξυγόνου με ένα ιόν υδρογόνου (πρωτόνιο) είναι ένας κομψός τρόπος για να γίνει αυτό: όπως ένας ομοιοπολικός δεσμός με το υδρογόνο, μόνο που και τα δύο ηλεκτρόνια στο ζεύγος προέρχονται από το οξυγόνο. Δεύτερον, χρειάζεστε πολλά διαθέσιμα πρωτόνια, και αυτό σημαίνει όξινο περιβάλλον».

Χρησιμοποιώντας προηγμένες προσομοιώσεις, η ομάδα έλεγξε αν αυτό θα μπορούσε να συμβεί με υδροφθορικό οξύ και νερό υπό ακραίες συνθήκες. Και πράγματι, όταν υποβλήθηκε σε πίεση περίπου 1,5 εκατομμυρίου ατμοσφαιρών και σε θερμοκρασίες περίπου 3.000 °C, άρχισαν να εμφανίζονται νέα ιόντα. Ονομάστηκαν aquodiium και είχαν τον χημικό τύπο H4O2+.

Είναι ενδιαφέρον ότι αυτά τα παράξενα ιόντα μπορεί να λύσουν ορισμένα μυστήρια του Ηλιακού Συστήματος. Οι παγωμένοι γίγαντες, ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας, έχουν περίεργα μαγνητικά πεδία που δεν ευθυγραμμίζονται με την περιστροφή των πλανητών ή τα φυσικά τους κέντρα. Το aquodiium θα μπορούσε να είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία αυτών των μαγνητικών πεδίων, και είναι ενδιαφέρον ότι οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες βαθιά σε αυτούς τους πλανήτες είναι παρόμοιες με αυτές στις προσομοιώσεις της ομάδας.

«Το υδρογόνο που περιβάλλει τον βραχώδη πυρήνα του Δία σε αυτές τις συνθήκες είναι ένα υγρό μέταλλο: μπορεί να ρέει, όπως ρέει ο λιωμένος σίδηρος στο εσωτερικό της Γης, και η ηλεκτρική αγωγιμότητά του οφείλεται στα ελεύθερα ηλεκτρόνια που μοιράζονται όλα τα άτομα υδρογόνου που πιέζονται μεταξύ τους», δήλωσε ο Artem R. Oganov, συν-συγγραφέας της μελέτης. «Στον Ουρανό, πιστεύουμε ότι τα ίδια τα ιόντα υδρογόνου – δηλαδή τα πρωτόνια – είναι οι φορείς ελεύθερου φορτίου. Όχι απαραίτητα ως μεμονωμένα ιόντα H+, αλλά ίσως με τη μορφή υδρονίου H3O+, αμμωνίου NH4+ και μιας σειράς άλλων ιόντων. Η μελέτη μας προσθέτει μια ακόμη πιθανότητα, το ιόν H4O2+, το οποίο είναι εξαιρετικά ενδιαφέρον από χημικής άποψης».

[via]