L’idrogenonio è una forma cationica dell’idrogeno formato da 3 atomi di idrogeno che unendosi assumono una carica positiva (H3+). Questo ione è uno dei più abbondanti dell’universo sebbene meno stabile dei suoi costituenti H2 e H+.
La sua esistenza è garantita grazie alla scarsissima densità di materia negli spazi interstellari. Questa bassa densità di materia non permette il trasferimento di energia dal catione idrogenonio ad altri atomi o molecole. La sua decomposizione spontanea violerebbe il principio di conservazione del momento angolare.
H3+ ha la forma di un triangolo equilatero. I suoi due elettroni sono divisi fra i tre protoni. Le sue righe caratteristiche di emissione sono state identificate nell’atmosfera gioviana e in numerose nebulose.
Questo particolare tipo di catione si forma per reazione tra H2+ e H2 in cui la concentrazione di H2+ è il fattore limitante della reazione. Si forma negli spazi interstellari quando un raggio cosmico o una radiazione abbastanza energetica ionizza la molecola di idrogeno. Il raggio cosmico ha talmente tanta energia che quella ceduta per ionizzare la molecola di idrogeno è sostanzialmente trascurabile. Nelle nubi interstellari, i raggi cosmici si lasciano dietro una traccia di H2+ e, di conseguenza, di H3+.
Reazioni:
L’idrogenonio reagisce praticamente con qualsiasi altra molecola con cui entra in collisione. Il composto più abbondante in assoluto nello spazio è H2, tuttavia la reazione che coinvolge i due composti è soltanto uno scambio di protoni. Questa reazione è importante per i suoi effetti sul rapporto orto/para di H3+, o per il rapporto tra idrogenonio con momento angolare di spin 3/2 e quello con momento ½.
Un’altra reazione importante è quella con la seconda molecola più abbondante dell’universo, il CO. Dalla loro collisione si forma HCO3– che è un composto importante per la chimica interstellare. Il suo forte momento di dipolo e la sua abbondanza lo rendono facilmente rintracciabile dalla radioastronomia.
H3+ può reagire anche con l’ossigeno atomico dando origine al catione OH+. Questo è l’inizio di quella che si pensa possa essere la reazione principale di formazione di acqua dall’ossigeno degli spazi interstellari.
L’idrogenonio può anche essere distrutto da un processo chiamato ricombinazione dissociativa. Tale reazione decorre in modi differenti portando a prodotti diversi. Nel 75% dei casi porta alla formazione di tre atomi di idrogeno, mentre nel restante 25% dei casi si producono H2 e H.
Sperimentalmente:
Alcuni dettagli della formazione di questo particolare catione sono stati ottenuti a partire da studi di eccitazione laser di una serie di composti organici da parte di un team di ricercatori della Michigan State University.
In natura l’idrogenonio viene prodotto molto velocemente, meno del tempo impiegato da un proiettile per attraversare un atomo. Troppo poco per capire effettivamente come i tre legami che caratterizzano la molecola si formino utilizzando qualsiasi strumento diverso da quello presente in un laboratorio.
Utilizzando un laser ultraveloce, uno strumento che permette di osservare la formazione dello ione con misurazioni al femtosecondo, i ricercatori hanno potuto ottenere dettagli sulla formazione del catione a partire da diversi composti alcolici: metanolo, etanolo, propanolo, etc eccitati da forti impulsi laser. Il processo è stato osservato in intervallo di tempo compreso tra i 100 e i 240 femtosecondi.
I risultati ottenuti hanno mostrato che la chimica responsabile della formazione di H3+, quantomeno per due dei cinque composti di partenza (metanolo ed etanolo). Non solo, gli impulsi laser che hanno colpito le molecole di partenza sono paragonabili ad onde sonore, e questo ha consentito ai ricercatori di scoprire quale frequenza incrementasse la formazione del catione e quale, invece, la riduceva.
Nel meccanismo osservato si produceva idrogeno molecolare che successivamente estraeva l’atomo di idrogeno necessario per formare H3+. Gli impulsi usati nell’esperimento hanno prodotto la ionizzazione di metanolo ed etanolo con la formazione i idrogeno molecolare. Questo ha strappato un protone alle molecole ionizzate instabili da cui si è prodotto, infine, lo ione idrogenonio.
La chimica dietro la formazione di questo composto è fatta da reazioni importanti “i mattoni per la costruzione della vita nell’universo”.
Testo: Luca Tonietti
Foto: https://www.sciencelearn.org.nz/images/2986-a-free-floating-planet
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07577-0
