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Idrogenonio: lo spazio oltre la Terra

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Icatione idrogenonio ha formula H3+ è la specie più abbondante dopo l’idrogeno molecolare negli spazi interstellari.

È considerato come l’iniziatore di quasi tutte le molecole dell’Universo.

Gli astronomi utilizzano questo catione come un indicatore di temperatura e orologio cosmologico.

È considerato uno strumento per comprendere le condizioni intorno ai pianeti nel nostro sistema solare.

La comprensione dell’evoluzione dell’Universo  è avvenuta con l’ausilio dell’astrochimica nata all’inizio del XX secolo. Grazie alla chimica, si possono studiare la formazione nello spazio di molecole di piccole dimensioni e la loro evoluzione oltre che dei processi chimici che avvengono e dell’evoluzione molecolare.

Storia

Il fisico britannico Joseph John Thomson nel 1911 scoprì l’idrogenonio in un tubo al plasma e utilizzò, per la sua caratterizzazione, un primo modello di spettrometro di massa.

All’epoca non si conosceva molto sulla struttura delle molecole e seguì un dibattito nel mondo scientifico in relazione alla possibile esistenza di questa specie.

Solo negli anni ’30 fu compreso che in determinate condizioni H3+ potesse essere stabile. Negli anni ’60 si ipotizzò che potesse essere presente nello spazio e nel 1989 gli scienziati ne individuarono il segnale caratteristico proveniente da Giove.

L’idrogenonio emette luce infrarossa a particolari lunghezze d’onda che possono attraversare le distanze dello spazio arrivando senza impedimenti ai rivelatori sulla Terra.

Lo ione infatti mostra emissioni in una serie di lunghezze d’onda raramente emesse da altre molecole e ciò lo rende individuabile a distanza di anni luce.

La scoperta di H3+ nello spazio ha indotto gli scienziati a cercarlo altrove nell’Universo ed è stato rinvenuto praticamente ovunque come, tra l’altro, nelle atmosfere superiori di Saturno e Urano.

La sua presenza ha fornito loro uno strumento per osservare direttamente i processi nello spazio che in precedenza erano stati solo teorizzati.

Struttura

La struttura dello ione è quella di un triangolo equilatero con una lunghezza di legame di  0.90 Å e una energia di legame di circa 104 kcal/mol.

Il legame presente in una struttura costituita da tre centri e due elettroni è un legame in cui è presente un unico orbitale molecolare delocalizzato sui tre atomi.

La teoria degli orbitali molecolari consente di comprendere questo tipo di legame considerando che vi sono tre orbitali atomici di tipo 1s appartenenti rispettivamente ai tre atomi di idrogeno presenti nella molecola con conseguente formazione di tre orbitali molecolari di cui un orbitale legante in cui sono presenti i due elettroni, un orbitale non legante e uno di antilegame.

Indicatore di temperatura

La possibilità di conoscere la temperatura e la densità di H3+ consente di sapere la temperatura e la densità dell’ambiente circostante. Quando lo ione è colpito dalla luce solare o collide con altre molecole esso assorbe energia rilasciando luce a particolari lunghezze d’onda dello spettro I.R.

L’intensità dell’energia emessa a ogni lunghezza d’onda varia a seconda della temperatura della molecola consentendo allo ione di agire come termometro virtuale dello spazio.

Reazioni

La molecola più abbondante nello spazio è quella di idrogeno che, tramite i raggi cosmici, altamente energetici, può perdere un elettrone:

H2 → H2+ + 1 e

Lo ione H2+ reagisce con H2 per dare H3+:

H2+ + H2 → H3+ + H

Il catione idrogenonio gioca un ruolo fondamentale quale precursore di reazioni chimiche tramite il trasferimento di un protone a molecole neutre.

Oltre il sistema solare

Gli studi degli astrochimici sono attualmente rivolti a individuare la presenza di H3+ in esopianeti ovvero pianeti orbitanti intorno a una stella diversa dal Sole e quindi non appartenenti al sistema solare.
Se fossero individuate le emissioni luminose tipiche dello ione si avrebbero indicazioni relativamente alla presenza di una ionosfera dal cui esame si potrebbero conoscere le condizioni del pianeta e la possibilità che su di esso potrebbe esserci vita.

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