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

Кристаллические структуры и функция электронной локализации H_4⁢O⁢F₂ и H₄⁢O⁢F₂ ·ВЧ. Автор: Physical Review B (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.174102

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 H₃O⁺, аммония NH₄⁺ и ряда другие ионы. Наше исследование добавляет еще одну возможность — ион H₄O²⁺, 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: 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 присоединить ион водорода (протон) к одной из пар электронов, то получится ион гидроксония H₃O⁺, 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 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.

Больше информации: ingyu Hou et al, H₄O²⁺ ion stabilized by pressure, Physical Review B (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.109.174102

Источник: Skolkovo Institute of Science and Technology