Morelia, Mich., 26/6/171

Astroquímica: química en el espacio2a parte

Vladimir Escalante RamírezInstituto de Radioastronomía y Astrofísica

UNAM, Campus Morelia

10a Escuela de VeranoJunio 26, 2017

Morelia, Mich., 26/6/172

Notas de clase y presentaciones

http://www.crya.unam.mx/~v.escalante/notas_astroquimica.pdf

http://www.crya.unam.mx/~v.escalante/astroquimica_1.ppt

http://www.crya.unam.mx/~v.escalante/astroquimica_2.ppt

Morelia, Mich., 26/6/173

El problema del H2 y la química del polvo

Morelia, Mich., 26/6/174

¿Cómo se forma el H2 (la más abundante)?

Necesitamos k ~ 10 – 17 cm3/s para explicar su abundancia

Para H + H H2 k = 10 –24 T 1/2 cm3/s es demasiado baja

Otras rutas:

H + H+ H2+ + fotón H + e- H– + fotón

H2+ + H H2 + H+ H + H– H2

+ e-

k ~ 10 −18 cm3/s k ~ 10 –21 cm3/s

Necesitamos un catalizador

Morelia, Mich., 26/6/175

La solución: el polvo

Cociente polvo a gas es n(granos) A / n(H) =1.0 10─21 cm2

donde A es el área efectiva del polvo y

n(H)n(granos)A<v> = 1.0 10 ─21 n2(H)<v> cm2 = k n2(H)

es la tasa efectiva de formación para H + H → H2. Entonces:

k ~ 1.0 10 ─21 <v> cm2 ~ 1.0 10 ─17 T 1/2 cm3/s

Morelia, Mich., 26/6/176

Composición del polvo

El polvo interestelar son granos de menos de 0.1 micras de carbono, sílice (SiO2), silicatos (SiO4), hierro, ...?

Hay unos cuantos granos por cada 109 átomos en el gas.

Olivino (Mg,Fe)2SiO4Olivino Mg2SiO4 del cometa Wild 2(Stardust, NASA)

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Playa Puu Mahana, Hawaii, Yves Rubin

Morelia, Mich., 26/6/178

¿Dónde se forma el polvo?

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Catálisis de NH3 en Fe cristalino (proceso Haber)

N2 + 3H2 → 2NH3 (Premio Nobel 2007 a Gerhard Ertl

Morelia, Mich., 26/6/1710

Hielos en granos de polvo

Exp. Astron., 2009, 23, 303

Morelia, Mich., 26/6/1711

Efecto de la luz estelar

Una estrella cercana a una nube molecular.

Moléculas son disociadas por la luz estelar.

Pero la luz estelar también calienta y ioniza el gas:C + luz estelar C+ + e

El gas caliente aumenta la velocidad de reacción.

Morelia, Mich., 26/6/1712

S140(Rodríguez et al., 2005)

H2COCO

Morelia, Mich., 26/6/1713

Una región fotodisociada

Gómez et al., 1998

Morelia, Mich., 26/6/1714

Una región fotodisociada más rayos X

Morelia, Mich., 26/6/1715

Moléculas orgánicas

Morelia, Mich., 26/6/1716

Construyendo moléculas orgánicas complejas

Anillo de benzeno: C6H6

Morelia, Mich., 26/6/1717

PAH’s: hidrocarbones policíclicos aromáticos

CrisenoCoroneno

Morelia, Mich., 26/6/1718

Buscando PAH's

• Descubrimiento de los PAH's (hidrocarbonos policíclicos aromáticos) en el Rectángulo Rojo. Leger & Puget, 1984, A&A, 137, L5

Morelia, Mich., 26/6/1719

El Rectángulo Rojo

Morelia, Mich., 26/6/1720

Formando planetas en un disco circumestelar

(NASA/JPL-Caltech)

Morelia, Mich., 26/6/1721

c-C3H2 en un disco circumestelar(Qi et al., 2013, Ap. J. Lett., 765, L14)

Ciclopropenilideno

Morelia, Mich., 26/6/1722

Química del C en un disco circumestelar

Morelia, Mich., 26/6/1723

Química del N en un disco circumestelar

Morelia, Mich., 26/6/1724

... y la vida?

Morelia, Mich., 26/6/1725

Química de la vida

Morelia, Mich., 26/6/1726

Formación de la vida a partir de materia inorgánica

Alexander Oparin (1894 - 1980)

Morelia, Mich., 26/6/1727

Experimento de Miller y Urey (1953)

Morelia, Mich., 26/6/1728

¿Aminoácidos en el espacio?

Lisina Aminoácido: NH2CHRCOOH

Morelia, Mich., 26/6/1729

Hacia la vida: proteínas

Morelia, Mich., 26/6/1730

Morelia, Mich., 26/6/1731

Metilamina en el espacio

Se han observado agua, CO2 y metilamina en el MIS

CH3NH2

Morelia, Mich., 26/6/1732

Astroquímica en el laboratorio(Lee, et al., 2009, Ap.J., 697, 428)

Película de hielo de agua + CO2 + metilaminaCH3NH2)

CH3NH2 + luz UV (estelar) CH2NH2 + H*

CO2 + H* HOCO

CH2NH2 + HOCO NH2CH2COOH (glicina)

Morelia, Mich., 26/6/1733

Astroquímica en el laboratorio(Elsila, et al., 2007, Ap.J., 660, 911)

Morelia, Mich., 26/6/1734

Atacama Large Milimeter Array (ALMA)

Morelia, Mich., 26/6/1735

Cianuros complejos en un disco con ALMA(Belloche et al., 2014, Science, 345, 1584)

Morelia, Mich., 26/6/1736

Cianuros de isopropilo en un disco con ALMA(Belloche et al.,2014, Science, 345, 1584)

Morelia, Mich., 26/6/1737

Morelia, Mich., 26/6/1738

Aminoácidos en meteoritos

Fragmento del meteorito de Murchison, 1969

Morelia, Mich., 26/6/1739

Quiralidad de aminoácidos

Izquierdo (S)Derecho (R)

Morelia, Mich., 26/6/1740

Modelo de Frank de homoquiralidad

A es un compuesto aquiral con abundancia a constante

R y S son moléculas quirales con abundancias r y s

Morelia, Mich., 26/6/1741

Atmósferas estelares y planetarias

Morelia, Mich., 26/6/1742

Astroquímica en equilibrio termodinámico(ver notas)

Las reacciones químicas pueden aumentar o disminuir la energía interna U de un sistema. Hay que añadir términos que dependen de la cantidad de moles de los reactivos:

dU = dQ – PdV + ∑i i dN(Xi), i potencial químico

En equilibrio termodinámico todas las reacciones químicas deben ser reversibles

En un proceso reversible dQ = TdS Entonces:

dU – TdS – PdV = ∑i i dN(Xi)

d(U – TS + PV)+ SdT – VdP = ∑i i dN(Xi)

G = U – TS + PV función de Gibbs

Morelia, Mich., 26/6/1743

Astroquímica en equilibrio termodinámico(ver notas)

Entonces:

dG = – SdT + VdP + ∑i i dN(Xi)

En una reacción química dT = 0 y dP = 0. Si el sistema está rodeado de un reservorio con entropía S0 y recibe un calor dQ = – TdS0 = dU + PdV:

(dG)T,P = dU – TdS + PdV = – TdS0 – TdS = – TdSU

Donde SU es la entropía del universo que siempre aumenta. Entonces (dG)T,P < 0, o sea, G siempre disminuye.

Morelia, Mich., 26/6/1744

Astroquímica en equilibrio termodinámico(ver notas)

Entonces:

(dG)T,P = ∑i i dN(Xi) < 0

En un sistema con muchos compuestos las dN(Xi) aumentarán o disminuirán por reacciones químicas, y el equilibrio se tendrá cuando (dG)T,P tenga un mínimo.

En una reacción reversible:

A + B C + D

El cambio en G se mide en términos de ΔG0 que depende en general de T. Cuando ΔG0 > 0 la reacción prefiere a la derecha y si ΔG0 < 0 prefiera a la izquierda.

Morelia, Mich., 26/6/1745

El debate Urey vs. Sagan

Harold C. Urey (1893 - 1981) Carl E. Sagan (1943 - 1996)

5

Morelia, Mich., 26/6/1746

La atmósfera de Venus

Reacción de Urey (1951):

Tierra (T = 300 K, ∆G0 = – 11.73 kcal/mol)

MgSiO3 (s) + CO2 (g) MgCO3 (s) + SiO2 (s)

¡pero necesitamos agua para que esté en equilibrio!

Sagan en 1960 dijo que no había agua.

Pero lo que sucede es que la reacción va al revés:

Venus (T = 700 K, ∆G0 = + 6.90 kcal/mol)

MgSiO3 (s) + CO2 (g) MgCO3 (s) + SiO2 (s)

Morelia, Mich., 26/6/1747

La química del ozono

Producción de ozono

O2 + luz solar → O + O (λ = 1800 a 2400 Å)

O + O2 + M → O3 + M

Destrucción de ozono

O3 + luz solar → O + O2 (λ = 2000 a 3000 Å)

O + O3 → O2 + O2 pero

X + O3 → XO + O2 es más rápida

XO + O → X + O2

Morelia, Mich., 26/6/1748

La destrucción de la capa de ozono

X = HOX, NOX, clorofluorocarbonos, CF2Cl2, CFCl3

Mario MolinaPremio Nobel de Química, 1995

Morelia, Mich., 26/6/1749

Descubriendo vida en la Tierra

Sagan et al., 1993, Nature, 365, 715

Morelia, Mich., 26/6/1750

Descubriendo vida en la Tierra

Sagan et al., 1993, Nature, 365, 715

Morelia, Mich., 26/6/1751

Buscando vida con ayuda de la astroquímica

Kaltenegger, Traub & Juck, 2007, Ap.J., 658, 598

Morelia, Mich., 26/6/1752

Superficie de un exoplaneta (en teoría)

Fauchez, et al., 2017, Ap. J., 842, 41

Morelia, Mich., 26/6/1753

Observando atmósferas exoplanetarias

MacDonald & Madhusudhan, 2017, MNRAS, 469, 1979

Morelia, Mich., 26/6/1754

¿Agua en GJ 1132 b?

Southwordh, 2017, AJ, 153, 191

M=1.6 MӨ , R = 1.2 RӨ , D = 12 pc