El papel del azufre en la química del espacio
Nuevos hallazgos revelan cómo se forman las moléculas orgánicas que contienen azufre en las nubes interestelares.
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Tabla de contenidos
En el espacio, las moléculas orgánicas complejas se forman en nubes de gas y polvo. Estas nubes contienen varios elementos, incluido el Azufre, que juega un papel clave en el desarrollo de moléculas orgánicas. Entender cómo se forman estas moléculas es importante para comprender los procesos de creación de estrellas y planetas.
Observaciones recientes han detectado moléculas orgánicas que contienen azufre y tienen dos átomos de carbono. Ejemplos incluyen CH3CH2SH y CH2CS. Los investigadores quieren averiguar cómo se forman estas moléculas en Nubes Interestelares. Este estudio se centra en cómo el Acetileno (C2H2), el Sulfuro de hidrógeno (H2S) y los átomos de hidrógeno reaccionan a bajas temperaturas para producir moléculas orgánicas que contienen azufre.
El papel del azufre en la química del espacio
Se sabe que el azufre está presente en las nubes interestelares, pero sus cantidades exactas a menudo son menos de lo que los científicos esperan. La confusión surge porque, en nubes densas, los científicos han encontrado que el azufre es mucho menos abundante en forma gaseosa en comparación con lo que los modelos predicen. Esto indica que podría haber una química más compleja ocurriendo que no se comprende del todo.
El sulfuro de hidrógeno, un compuesto clave de azufre, se forma bajo condiciones específicas en el espacio. Sin embargo, las cantidades esperadas tampoco coinciden con las observaciones reales. Esto plantea preguntas sobre cómo se forman las moléculas que contienen azufre en los hielos en el espacio.
Se ha demostrado que se han detectado muchas moléculas en el espacio, pero hay un interés particular en las moléculas orgánicas complejas. Estas incluyen moléculas con al menos seis átomos. Se han estudiado sus rutas de formación en estados gaseosos y sólidos. Las reacciones que involucran radicales pueden ocurrir a temperaturas extremadamente bajas, lo que permite la formación de moléculas complejas.
Investigando la formación de moléculas orgánicas que contienen azufre
Los investigadores realizaron experimentos de laboratorio para estudiar las reacciones entre el acetileno y el sulfuro de hidrógeno en presencia de átomos de hidrógeno a temperaturas alrededor de 10 K. Usaron técnicas como la espectroscopía infrarroja y la espectrometría de masas para recopilar datos sobre los productos formados.
Durante estos experimentos, identificaron varios productos que contienen azufre. Algunos de estos productos incluyen etanetiol (CH3CH2SH), mercaptano vinílico (CH2CHSH) y disulfano (H2S2). El producto principal formado en estos experimentos fue etanetiol, que aumentó su rendimiento con más hidrógeno presente.
La importancia de esta investigación radica en entender cómo operan las redes químicas en el espacio. Los resultados proporcionan información sobre cómo se forman los compuestos de azufre en las condiciones heladas que se encuentran en las nubes interestelares.
Entendiendo el papel del acetileno
El acetileno, un alquino simple, se ha detectado en fase gaseosa en estrellas jóvenes y en entornos ricos en carbono. La presencia de acetileno en estas regiones sugiere que podría jugar un papel significativo en la formación de moléculas más complejas.
La formación de acetileno ocurre ya sea a través de procesos que lo construyen a partir de átomos de carbono más pequeños o por la descomposición de moléculas más grandes. Sin embargo, detectar acetileno en el espacio tiene sus desafíos, principalmente debido a las superposiciones con las señales de otras moléculas.
Las reacciones que involucran acetileno pueden conducir a la formación de varias moléculas orgánicas. Cuando el acetileno reacciona con átomos de hidrógeno y otros radicales, puede producir una amplia gama de moléculas orgánicas complejas que contienen oxígeno.
Métodos experimentales
Los experimentos se llevaron a cabo en un entorno de laboratorio controlado. Los investigadores utilizaron un equipo especializado que permitió un control preciso sobre la temperatura y la presión. Los gases de acetileno y sulfuro de hidrógeno se introdujeron en la cámara, donde se enfriaron a temperaturas muy bajas.
Durante los experimentos, los investigadores monitorearon la composición del hielo usando espectroscopía infrarroja. Esta técnica ayuda a identificar las diferentes moléculas formadas al observar sus características de absorción únicas. Además, se empleó la espectrometría de masas para analizar el vapor que sublimaba del hielo a medida que se calentaba gradualmente.
Esta combinación de técnicas permitió un análisis completo de la composición y las reacciones que ocurren en las mezclas heladas.
Resultados de los experimentos
Los experimentos revelaron varios productos que contienen azufre formados por las interacciones del acetileno, el sulfuro de hidrógeno y el hidrógeno. Los hallazgos principales incluyeron:
- Ethanethiol (CH3CH2SH): Este fue el producto más abundante formado, mostrando un aumento significativo en el rendimiento con mayores concentraciones de hidrógeno.
- Mercaptano vinílico (CH2CHSH): Otro producto clave, que también se formó durante las reacciones.
- Disulfano (H2S2): Detectado con un pico de desorción notable, indicando su formación a través de interacciones en el entorno helado.
- 1,2-Ethanedithiol (HSCH2CH2SH): Se identificó esta molécula como un producto aunque su rendimiento fue menor en comparación con etanetiol y mercaptano vinílico.
- Productos tentativos: Se detectaron productos adicionales como tioacetaldehído (CH3CHS) y tioquenona (CH2CS) pero con menos certeza.
La identificación de estos productos avanzó la comprensión de la química del azufre en el espacio, mostrando la complejidad de la síntesis orgánica en entornos interestelares.
Entendiendo la red química
El estudio propuso una red de reacciones donde el paso clave implica la formación inicial de CH2CHSH a partir de la interacción del acetileno y los radicales SH. El CH2CHSH generado puede someterse a reacciones adicionales que llevan a la formación de moléculas más estables que contienen azufre.
Debido a la baja energía de activación, las reacciones que involucran radicales son más propensas a ocurrir en las condiciones heladas del espacio. Los investigadores propusieron que la red comienza con átomos de hidrógeno que se añaden al acetileno, formando CH2CH3, que luego interactúa con radicales SH. Esto conduce a la formación de CH2CHSH, que puede ser fácilmente hidrogenado para producir CH3CH2SH.
Una vez formado, el CH3CH2SH actúa como un "sumidero" para el presupuesto de azufre, lo que significa que una vez que se produce, captura la mayor parte del azufre disponible, limitando la formación de otros productos.
Implicaciones astrofísicas
Los hallazgos de esta investigación tienen importantes implicaciones para entender la química de las nubes interestelares. Los resultados pueden ayudar a explicar por qué ciertos compuestos orgánicos complejos que contienen azufre se detectan en el espacio mientras que otros no.
La capacidad de formar estas moléculas en condiciones frías muestra cómo la química puede avanzar en lugares que se pensaban inertes. La presencia de radicales como SH es esencial para construir inventarios complejos de azufre dentro de los hielos, proporcionando caminos para la formación de compuestos orgánicos más complejos en el espacio.
Detectar estos compuestos ayuda a entender la evolución química del medio interestelar y cómo estos procesos afectan la formación de estrellas y planetas.
Conclusión
Este estudio arrojó luz sobre los complejos procesos que llevan a la formación de moléculas orgánicas que contienen azufre en nubes interestelares. A través de una combinación de trabajo experimental y modelos teóricos, los investigadores demostraron cómo reacciones que involucran moléculas simples podrían llevar a la formación de compuestos orgánicos más complejos.
El dominio del etanetiol como producto ilustra cómo ciertos caminos pueden llevar a resultados específicos en una red química. Este conocimiento podría ayudar a interpretar datos astronómicos y profundizar en la comprensión de los procesos químicos que tienen lugar en el espacio.
Al revelar las reacciones y las interacciones subyacentes, esta investigación no solo mejora el conocimiento de la astroquímica, sino que también proporciona importantes perspectivas sobre el contexto más amplio de la química orgánica en el universo. Los estudios futuros continuarán explorando estos caminos, con el objetivo de desentrañar los misterios de la formación molecular en el cosmos.
Título: Formation of S-bearing complex organic molecules in interstellar clouds via ice reactions with C2H2, HS, and atomic H
Resumen: The chemical network governing interstellar sulfur has been the topic of unrelenting discussion for the past decades due to the conspicuous discrepancy between its expected and observed abundances in different interstellar environments. More recently, the astronomical detections of CH3CH2SH and CH2CS highlighted the importance of interstellar formation routes for sulfur-bearing organic molecules with two carbon atoms. In this work, we perform a laboratory investigation of the solid-state chemistry resulting from the interaction between C2H2 molecules and SH radicals -- both thought to be present in interstellar icy mantles -- at 10 K. Reflection absorption infrared spectroscopy and quadrupole mass spectrometry combined with temperature-programmed desorption experiments are employed as analytical techniques. We confirm that SH radicals can kick-start a sulfur reaction network under interstellar cloud conditions and identify at least six sulfurated products: CH3CH2SH, CH2CHSH, HSCH2CH2SH, H2S2, and tentatively CH3CHS and CH2CS. Complementarily, we utilize computational calculations to pinpoint the reaction routes that play a role in the chemical network behind our experimental results. The main sulfur-bearing organic molecule formed under our experimental conditions is CH3CH2SH and its formation yield increases with the ratios of H to other reactants. It serves as a sink to the sulfur budget within the network, being formed at the expense of the other unsaturated products. The astrophysical implications of the chemical network proposed here are discussed.
Autores: Julia C. Santos, Joan Enrique-Romero, Thanja Lamberts, Harold Linnartz, Ko-Ju Chuang
Última actualización: 2024-07-12 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2407.09730
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2407.09730
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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