Послідовність додавання речовин визначила активність кислоти у космосі

Послідовність введення реагентів при змішуванні води і соляної кислоти в імітуючих міжзоряних умовах виявилася ключовим фактором, що впливає на реактивність сполук. При додаванні води до соляної кислоти (HCl) вченим вдалося зафіксувати утворення іонів гідроксонія H3O+, що вказує на дисоціацію кислоти на протон і негативно заряджений іон хлору, тоді як нічого подібного не відбувалося при додаванні соляної кислоти до води. Автори відкриття вважають, що виявлений феномен може бути властивий і іншим кислотам, тому його необхідно враховувати при проведенні експериментів і симуляцій реакцій в умовах космічного простору, пишуть дослідники в журналі Science Advances, інформує Ukr.Media.

Дисоціація кислот, тобто розпад на іони при розчиненні, отримувані в результаті розчинені протони і супутні процеси відіграють ключову роль у безлічі процесах як живої, так і неживої природи. Ці феномени можуть значно залежати від температури середовища. Наприклад, реакції на крижаних кристалах стратосферних хмарах з участю соляної кислоти при низьких температурах протікає інакше, ніж при кімнатних умовах.

Більшість досліджень щодо взаємодії соляної кислоти і крижаних кристалів в атмосфері проводилося при температурі 190 кельвінів, типовою для полярних стратосферних хмар. В рамках цих робіт вдалося з'ясувати, що кислота розпадається на іони. Однак при більш низьких температурах дані відрізняються: у деяких дослідженнях йдеться лише про 15-відсоткову іонізацію при 60 кельвінах, а в інших — про 80-відсоткову при 20 кельвінах.

Водяний лід поширений не тільки на Землі, але і на інших тілах Сонячної системи, а також і на більш віддалених об'єктах і між ними. Зокрема, він є в щільних міжзоряних хмарах пилу, де характерні температури становлять близько 10 кельвін. У такому контексті постає питання про вплив подібних умов середовища на фундаментальні хімічні процеси, наприклад, активність кислот і лугів. Якщо відсутність збудження через пов'язані з температурою коливаннями і наявністю інтенсивного потоку випромінювання призводить до виникнення нових феноменів, то це може бути важливо для розуміння ранньої хімічної еволюції, яка виникла задовго до виникнення складних органічних сполук.

У роботі під керівництвом Мартіни Хавеніт (Martina Havenith) з Рурського університету в Німеччині описуються результати експериментів з лабораторного вивчення суміші води і соляної кислоти в умовах, що імітують міжзоряні порошини. У рамках експериментів вчені досліджували поведінку декількох молекул речовин, укладених в нанорозмірну краплю надплинного гелію. Процес реакції в динаміці відстежували за допомогою імпульсів інфрачервоного лазера.

В рамках першого експерименту вчені послідовно додавали до молекули соляної кислоти чотири молекули води. У такому разі кислота дисоціювала, і протон, з'єднуючись з водою, утворював гідроксоній. В результаті іон хлору, гідроксоній і три молекули води формували стабільну систему. В інших дослідах автори додавали молекулу соляної кислоти до заздалегідь сформованого кластера з чотирьох молекул води. Це не призводило до розпаду кислоти і виникненню окремого протона, який залишався пов'язаний з хлором.

«Ці відкриття показують, що на фундаментальне питання про дисоціацію кислот і відповідної можливості будь-якої хімії кислот і підстав в умовах наднизьких температур не можна відповісти "так" або "ні", — пишуть автори у висновках роботи. — Таким чином "дисоціація" і "відсутність дисоціації" є сторонами однієї медалі».

Вчені окремо відзначають, що немає підстав вважати, що подібна поведінка не буде властива іншим кислотам. Навпаки, вона, швидше, є відмінною рисою хімії низьких температур. «Космічна хімія аж ніяк не проста, вона може виявитися навіть складнішою хімії в умовах поверхонь планет», — підсумовує співавтор роботи Домінік Маркс.