Порядок добавления веществ определил активность кислоты в космических условиях
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, реакции на ледяных кристаллах в стратосферных облаках с участием соляной кислоты при низких температурах протекают иначе, чем при комнатных условиях.
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 разнятся: 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.
«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
Дихлорметан используют для изготовления кофе без кофеина
Климатологи смоделировали влияние короткоживущих галогенсодержащих веществ на разрушение озонового слоя в тропиках. В результате выяснилось, что антропогенные и природные выбросы этих веществ ответственны за четверть от всего разрушенного за последние 20 лет тропического озонового слоя. И чтобы уменьшить скорость его разрушения, достаточно резко сократить антропогенные выбросы дихлорметана — пишут авторы статьи в Nature Climate Change. 40 лет назад ученые обнаружили над Антарктидой дыру в озоновом слое. Впоследствии оказалось, что возникла она из-за антропогенных выбросов галогенсодержащих органических веществ в атмосферу. В результате в 1985 году была согласована Венская конвенция об охране озонового слоя, а в 1987 году подготовлен к подписанию Монреальский протокол — дополнение к конвенции, в котором были перечислены конкретные вещества, чьи выбросы нужно было сократить. Большинство вошедших в список веществ были простыми фтор- и хлорсодержащими углеводородами. Эти вещества очень устойчивы — их время жизни в атмосфере исчисляется десятками и сотнями лет. И когда они достигают стратосферы, они выделяют свободные галогены, которые и разрушают озоновый слой. Но благодаря Монреальскому протоколу, озоновый слой удалось сохранить, и сейчас над Антарктидой он постепенно восстанавливается. Но концентрация озона в нижней стратосфере тропических широт все равно постепенно уменьшается. И до сих пор ученые связывали это с изменениями в циркуляции воздушных масс, возникшими из-за выбросов парниковых газов. Но климатологи под руководством Альфонсо Сайс-Лопеса (Alfonso Saiz-Lopez) из Института физической химии «Рокасолано» обнаружили, что эти изменения — не единственная причина уменьшения озонового слоя над тропиками. С помощью компьютерного моделирования с использованием CESM они обнаружили, что около четверти уменьшения концентрации озона вызвано короткоживущими галогенсодержащими веществами, некоторые из которых попадают в атмосферу из-за деятельности химических производств. Одно из этих веществ — дихлорметан — очень популярный органический растворитель. Его используют, например, для экстракции кофеина при изготовлении декофеинизированного кофе. Как показало моделирование изменений в тропической стратосфере, в ближайшие несколько лет антропогенные выбросы хлорсодержащих веществ будут играть все большую роль в разрушении озонового слоя. И к концу XXI века они будут ответственны за 30 процентов всей потерянной концентрации озона. Поэтому авторы статьи пришли к выводу, что деятельность человека, приводящую к выбросам короткоживущих органических веществ, нужно контролировать. И хотя озоновый слой над тропиками все равно продолжит уменьшаться из-за выбросов парниковых газов, меры по контролю позволят значительно замедлить этот процесс. Ранее мы рассказывали о том, что озоновый слой над Антарктидой может временно уменьшиться из-за недавнего извержения вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. А подробно прочитать про историю Монреальского протокола можно в нашем материале «Дыра, которую мы залатаем».