Bizarní forma vody by mohla pomoci vysvětlit chaotický magnetismus Uranu

Jednou z nejzvláštnějších vlastností Uranu a Neptunu je jejich magnetické pole. Každá z těchto planet má horkou magnetosféru, rozhozenou a divoce vychýlenou od rotační osy způsobem, který není vidět u žádné jiné planety.

Není úplně jasné proč, ale díky týmu vědců z Číny a Ruska možná máme nový kousek skládačky: opravdu zvláštní, ionizovanou formu vody nazvanou aquodiium, která by mohla existovat hluboko v extrémně vysokotlakém nitru těchto podivných ledových světů.

Akvodium se skládá z normální molekuly vody se dvěma dalšími protony, což jí dává čistý kladný náboj, který by v dostatečném množství mohl vytvořit planetární magnetické pole, jaké mají Uran a Neptun. Planetární magnetická pole sahají daleko do prostoru kolem planet, které je vytvářejí. Jsou však vytvářena hluboko uvnitř planety pohybujícími se náboji, i když přesný mechanismus se může lišit.

Na Zemi je to slitina železa a niklu, která se pohybuje kolem jádra, rotuje, konvexně se pohybuje a elektricky vede, přičemž veškerou kinetickou energii přeměňuje na proudy elektronů v takzvaném dynamu. V případě Jupiteru a Saturnu se vědci domnívají, že je to kovový vodík, který zajišťuje vedení proudících elektronů. Země, Jupiter a Saturn mají poměrně úhledná magnetická pole, která se podobají obrovskému tyčovému magnetu probíhajícímu po rotační ose planety, jehož siločáry jako klec úhledně spojují severní a jižní pól.

Naproti tomu magnetické póly Uranu a Neptunu jsou odkloněny od rotační osy o 59, respektive 47 stupňů a magnetické siločáry se neustále mění a posouvají. A ve skutečnosti nejsou soustředěny na jádra planet. Jedním z možných vysvětlení je, že magnetické pole by mohlo být generováno iontově vodivou kapalinou, v níž jsou nositeli náboje ionty, a nikoli kapalina, která funguje jako kanál pro elektrony.

„Vodík obklopující skalnaté jádro Jupiteru je za těchto (vysokotlakých) podmínek tekutým kovem: může proudit, podobně jako proudí roztavené železo v nitru Země, a jeho elektrická vodivost je způsobena volnými elektrony, které sdílejí všechny atomy vodíku stlačené k sobě,“ vysvětluje teoretický chemik, mineralog a fyzik Artem Oganov ze Skolkovského institutu vědy a technologie v Rusku.

„Domníváme se, že na Uranu jsou volnými nosiči náboje samotné vodíkové ionty, tedy protony.“ Otázkou tedy je, které ionty? Některé, jako například amonium, jsou zřejmou možností. Mohly by však v tomto procesu hrát významnější roli i molekuly vody na planetě?

Tým vědců pod vedením fyzika Jingyu Houa z Nankai University v Číně se vrátil k prvním principům v kombinaci s modely způsobu, jakým se mohou molekuly vyvíjet, a zabýval se konceptem zvaným chemická hybridizace. To je situace, kdy se orbitální prvky atomu smíchají nebo zkombinují a vytvoří atom, který se může vázat novými způsoby. Existují různé typy hybridizace, ale zde je důležitá sp3 hybridizace, při níž čtyři orbitaly tvoří tetraedrické uspořádání kolem centrálního jádra.

Každý ze čtyř bodů tetraedru má buď osamělý elektron schopný vazby s jiným atomem, nebo elektronový pár, který nemůže vytvářet vazby s jinými atomy. Kyslík má ve vnějším obalu dva osamělé elektrony a dva elektronové páry. Pokud ke každému z dostupných valenčních elektronů připojíte atom vodíku, získáte H2O – vodu.

Někdy se vodík bez elektronu, známý také jako obyčejný proton, připojí k jednomu z elektronových párů a vytvoří molekulu zvanou hydroniový ion. „Otázka zněla: Můžeš k hydroniovému iontu přidat další proton, abys doplnil chybějící část? Taková konfigurace je za normálních podmínek energeticky velmi nevýhodná, ale naše výpočty ukazují, že existují dvě věci, které to mohou umožnit,“ říká fyzik Xiao Dong z Nankai University.

„Zaprvé, velmi vysoký tlak nutí hmotu zmenšit svůj objem a sdílení dříve nevyužitého elektronového páru kyslíku s vodíkovým iontem (protonem) je elegantní způsob, jak toho dosáhnout. Jako kovalentní vazba s vodíkem, až na to, že oba elektrony v páru pocházejí z kyslíku. Za druhé, potřebujete hodně dostupných protonů, a to znamená kyselé prostředí, protože to je to, co kyseliny dělají, darují protony.“

Vědci provedli výpočetní modelování a za podmínek podobných těm, které se předpokládají v nitru Uranu a Neptunu, se stalo toto. Při teplotách kolem 3 000 stupňů Celsia (5 430 stupňů Fahrenheita) a tlaku 1,5 milionu atmosfér se protony navázaly na hydronium a vytvořily H4O2 – aquodium. Je to samozřejmě stále teoretické. K dalšímu prozkoumání této možnosti bude zapotřebí podrobnějších pozorování dvou nejvzdálenějších planet, nicméně tato zjištění nám dávají nový způsob, jak porozumět modrým podivínům, kterými jsou Uran a Neptun.

A mají důsledky i pro chemii obecně, neboť představují, jak píší vědci, „důležitý doplněk k tradičním fyzikálním a chemickým teoriím, jako je model odpuzování elektronových párů ve valenčním obalu, přenos protonů a teorie kyselin a zásad“.

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: new.skoltech.ru