Химики обнаружили возможность существования новой причудливой молекулы, связанной с водой. Этот ион получил название акводий, и он может образовываться в экстремальных условиях. Возможно, акводий объяснит некоторые странности ледяных планет-гигантов Солнечной системы — в первую очередь, Урана.
Как мы знаем, химическая формула воды — H2O, это два атома водорода, соединенных с атомом кислорода. Это верно в подавляющем большинстве случаев, но не все так просто. Примерно в 1 из 500 млн молекул воды протоны могут перемещаться между атомами, образуя родственные ионы гидроксида (OH-) и гидроксония (H3O+).
Ученые из России и Китая выявили новый тип водяных ионов, которые могут существовать в самых необычных условиях. Разгадка кроется в процессе sp3-гибридизации. Говоря простым языком, 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 это водород — и вот 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 туда еще один протон, и вы получите гидроксоний.
Химики задались вопросом: можно ли добавить еще один протон к иону гидроксония, чтобы заполнить недостающий фрагмент? При нормальных условиях это невозможно, но расчеты показали, что есть две вещи, которые могут этому помочь: очень высокое давление и большое количество свободных протонов, например, в кислой среде, пишет New Atlas.
Используя моделирование, ученые проверили, может ли это произойти с плавиковой кислотой и водой в экстремальных условиях. Оказалось, что при давлении около 1,5 млн атмосфер и температуре около 3000°C начали появляться новые ионы. Формулу H4O2+ назвали акводием.
Необычные ионы могут раскрыть некоторые тайны Солнечной системы. Ледяные гиганты Уран и Нептун обладают странными магнитными полями, которые не совпадают с вращением планет и их физическими центрами. Предполагается, что магнитные поля Урана и Нептуна вызваны циркуляцией вещества, для которого характерна не электронная, а ионная проводимость. Акводий может быть связан с генерацией этих магнитных полей, ведь давление и температура в глубине планет схожи с параметрами, смоделированными учеными.
«На Уране, как мы предполагаем, сами ионы водорода, то есть протоны, переносят заряд. При этом совершенно не обязательно в форме свободных ионов H+, а, например, в виде гидроксония H3O+, аммония NH4+ и ряда других ионов. Наше исследование дополняет этот ряд ионом H4O2+, химия которого представляет большой интерес», — отметил один из авторов исследования Артем Оганов.