Диковинная молекула предположительно скрывается внутри Урана и Нептуна, влияя на их магнитные поля.
Исследователи из Сколтеха вместе с коллегами из Китая показали возможность существования причудливого нового иона, связанного с водой. Для образования «акводия» нужны экстремальные условия, которые встречаются на ледяных гигантах Солнечной системы, а его свойства потенциально могут объяснить их странность.
Молекула воды — H₂O — состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. Но примерно в 1 из 500 миллионов молекул воды протоны могут перемещаться между атомами, создавая соответствующие положительно и отрицательно заряженные ионы гидроксид (OH⁻) и гидроксоний (H₃O⁺).
Этот эффект связан с sp3-гибридизацией — способом объединения электронных орбиталей при формировании молекул и ионов. При sp3-гибридизации ядро атома — например, углерода, азота или кислорода — занимает центральную точку воображаемого тетраэдра. В каждой из вершин находится либо валентный электрон, либо два спаренных электрона, недоступных для образования связей с другими атомами.
У атома кислорода две собственные электронные пары во внешней оболочке вместе с двумя валентными электронами. С точки зрения sp3-гибридизации это означает, что только две вершины содержат ковалентную связь с водородом, а оставшиеся две заняты электронными парами. Так формируется молекула воды. Если присоединить ион водорода (протон) к одной из пар электронов, получится гидроксоний.
Исследователи предположили, что в определенных условиях кислород способен захватывать сразу два протона. Используя компьютерное моделирование они определили два условия, которые необходимы для этого. Во-первых, очень высокое давление вынуждает материю уменьшать свой объем, и разделение «свободной» электронной пары с ионом водорода этому способствует. Во-вторых, требуется много доступных протонов, то есть кислая среда.
Используя расширенное моделирование, ученые проверила, может ли такое произойти с плавиковой кислотой и водой в экстремальных условиях. Анализ показал, что при давлении около 1,5 млн атмосфер и температуре около 3000 °C должны появляться ионы акводия (H₄O²⁺).
Ледяные гиганты, Уран и Нептун, обладают странными магнитными полями, которые не совпадают с вращением планет или и смещены относительно физических центров планет. Акводий теоретически может влиять на свойства этих магнитных полей, и что интересно, давление и температура в глубине этих планет аналогичны тем, что использовались в моделировании.
На Уране мы думаем, что сами ионы водорода, то есть протоны, являются свободными носителями заряда. Необязательно в виде отдельных ионов H⁺, но возможно и 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.
Артем Оганов, профессор Сколтеха и соавтор исследования
