Исследователи из Великобритании разработали методологию, позволяющую предсказывать реакционную способность и механизмы реакций, протекающих при столкновении низкомолекулярных двухзарядных положительно заряженных ионов и нейтральных реакций.
Результаты исследования могут оказаться полезными для изучения и прогнозирования реакций, протекающих в межзвездной среде и в верхних слоях атмосферы планет.
Двухзарядные положительно заряженные ионы представляют собой высокоэнергетические частицы, особенно если два положительных зарядовых центра сближены в рамках одной малой по размеру молекулы. Взаимное отталкивание зарядов приводит к кинетической и термодинамической нестабильности двухзарядных положительно заряженных ионов – эти частицы быстро фрагментируются с образованием более устойчивых однозарядных ионов. Тем не менее, самые маленькие по размеру двухзарядные положительно заряженные ионы обладают стабильностью, достаточной для того, чтобы существовать в течение даже нескольких секунд и взаимодействовать с атомами и нейтральными молекулами, образуя однозарядные ионы.
Такие метастабильные ионы часто можно обнаружить в верхних слоях атмосферы планет. Результаты моделирования позволяют предположить, что процессы, протекающие в верхних слоях атмосферы, во многом определяются наличием двухзарядных положительно заряженных ионов (CO22+ на Марсе и N22+ на Земле и спутнике Сатурна, Титане). Результаты расчета предсказывают, что ион N22+ может быть достаточно легко обнаружен с помощью методов оптической спектроскопии. Результаты, собранные во время экспедиции космического зонда Кассини, позволяют утверждать, что состав атмосферы Титана довольно сложен, при этом для механизма образования углеводородов и других больших молекул, уже давно будоражащих внимание и интерес химиков и астробиологов, был предложен механизм, протекающий с участием двухзарядных положительно заряженных ионов.
Стефан Прайс (Stephen Price) с коллегами из Университетского Колледжа Лондона разработал методику чувствительных к положению совпадений [position-sensitive coincidence technique (PSCO)], позволяющую детектировать пары ионов, образующихся в результате столкновения индивидуального двухзарядного положительно заряженного иона с нейтральной молекулой, продемонстрировав с помощью новой методики, что частица N22+ реагирует с водородом, образуя NH+ через стадию первоначального образования комплекса [N2H2]2+, который фрагментируется по схеме NH22+ + N, а NH22+, в свою очередь, разрушается с образованием конечных продуктов – NH+ и H+.
Прайс отмечает, что обнаружение обоих ионов во время протекания акта элементарной реакции позволяет проводить селективное изучение реакций дикатионов в присутствии других однозарядных ионов. По словам исследователя, появляется возможность не только двух индивидуальных ионов – продуктов элементарной реакции, но и скорости каждого из отдельно взятых ионов. Такая возможность открывает широкие перспективы в изучении двухзарядных положительно заряженных ионов. Поскольку химия этих реакционоспособных частиц весьма интересна и необычна, их изучение сможет приблизить нас к пониманию сущности процессов, протекающих в ионосфере планет, атмосфере комет, межзвездном пространстве и плазме.
В дальнейших планах исследовательской группы дальнейшее исследование химических свойств частицы N22+ в реакциях с другими нейтральными низкомолекулярными соединениями, а также изучение химии других малых дикатионов, имеющих отношение к химическим процессам, протекающим в плазме или ионосфере, как, например, O22+, CO22+, NO2+.
