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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)
Morelia, Mich., 26/6/177
Playa Puu Mahana, Hawaii, Yves Rubin
Morelia, Mich., 26/6/178
¿Dónde se forma el polvo?
Morelia, Mich., 26/6/179
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