Последовательность введения реагентов при смешивании воды и соляной кислоты в имитирующих межзвездные условиях оказалась ключевым фактором, влияющим на реактивность соединений. При добавлении воды к соляной кислоте (HCl) ученым удалось зафиксировать образование ионов гидроксония H3O+, что указывает на диссоциацию кислоты на протон и отрицательно заряженный ион хлора, в то время как ничего подобного не происходило при добавлении соляной кислоты к воде. Авторы открытия считают, что обнаруженный феномен может быть свойственен и другим кислотам, поэтому его необходимо учитывать при проведении экспериментов и симуляций реакций в условиях космического пространства,
пишут исследователи в журнале Science Advances.
Диссоциация кислот, то есть распад на ионы при растворении, получающиеся в результате растворенные протоны и сопутствующие процессы играют ключевую роль во множестве процессов как живой, так и неживой природы. Эти феномены могут значительно зависеть от температуры среды. Например, [url-https://science.sciencemag.org/content/271/5255/1563]реакции на ледяных кристаллах в стратосферных облаках с участием соляной кислоты при низких температурах протекают иначе, чем при комнатных условиях[/url].
Большинство исследований о взаимодействии соляной кислоты и ледяных кристаллов в атмосфере проводилось при температуре 190 кельвинов, типичной для полярных стратосферных облаков. В рамках этих работ удалось выяснить, что кислота распадается на ионы. Однако при более низких температурах данные разняться: в некоторых исследованиях говорится лишь о 15-процентной ионизации при 60 кельвинах, а в других — о 80 процентах при 20 кельвинах.
Водяной лед распространен не только на Земле, но и на других телах Солнечной системы, а также и на более удаленных объектах и между ними. В частности, он есть в плотных межзвездных облаках пыли, где характерные температуры составляют около 10 кельвин. В таком контексте встает вопрос о влиянии подобных условий среды на фундаментальные химические процессы, например, активность кислот и щелочей. Если отсутствие возбуждения из-за связанных с температурой колебаний и наличием интенсивного потока излучения приводит к возникновению новых феноменов, то это может быть важно для понимания ранней химической эволюции, протекавшей задолго до возникновения сложных органических соединений.
В работе под руководством Мартины Хавенит (Martina Havenith) из Рурского университета в Германии описываются результаты экспериментов по лабораторному изучению смеси воды и соляной кислоты в условиях, имитирующих межзвездные пылинки. В рамках экспериментов ученые исследовали поведение нескольких молекул веществ, заключенных в наноразмерную каплю сверхтекучего гелия. Процесс реакции в динамике отслеживали при помощи импульсов инфракрасного лазера.
В рамках первого эксперимента ученые последовательно добавляли к молекуле соляной кислоты четыре молекулы воды. В таком случае кислота диссоциировала, и протон соединялся с водой, образуя гидроксоний. В результате ион хлора, гидроксоний и три молекулы воды формировали стабильную систему. В других опытах авторы добавляли молекулу соляной кислоты к заранее сформированному кластеру из четырех молекул воды. Это не приводило к распаду кислоты и возникновению отдельного протона, который оставался связан с хлором.
Различные исходы при разных порядках добавления молекул. Слева к кислоте добавляют воду, в результате чего образуется мельчайшая капелька кислоты. Справа кислоту добавляют к четырем молекулам воды, формирующим мельчайший кусочек льда. В таком случае молекула кислоты не диссоциирует на ионы.
D. Mani et al. / Science Advances, 2019«Эти открытия показывают, что на фундаментальный вопрос о диссоциации кислот и соответствующей возможности любой химии кислот и оснований в условиях сверхнизких температур нельзя ответить "да" или "нет", — пишут авторы в выводах работы. — Таким образом "диссоциация" и "отсутствие диссоциации" являются сторонами одной медали».
Ученые отдельно отмечают, что нет оснований полагать, что подобное поведение не будет свойственно другим кислотам. Наоборот, оно скорее является отличительной чертой химии низких температур. «
Космическая химия отнюдь не проста, она может оказаться даже сложнее химии в условиях поверхностей планет», — подытоживает соавтор работы Доминик Маркс.
Недавно ученым удалось найти в космосе молекулу, которая считается первым связанным состоянием атомов во Вселенной.
О поисках новых соединений в космосе в составе далеких звезд и экзопланет мы писали в материале «Космическая химия».
Тимур Кешелава
https://nplus1.ru/news/2019/06/10/reaction-sequence?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop
