Новости химической науки > Новое решение загадки пропавшего ксенона

Исследователи предложили новый ответ на загадку исчезнувшего с Земли ксенона (она заключается в том, что в атмосфере нашей планеты содержится всего 10% от количества ксенона, которое могло бы там содержаться в соответствии с существующими моделями формирования Земли и ее атмосферы [1].

Расчеты позволяют предположить, что за миллиарды лет формирования Земли атмосферный ксенон мог оказаться запертым в ядре и мантии планеты в виде соединений с никелем и железом, которые в условиях давления внутри Земли могут оказаться устойчивыми.

Другие исследователи сдержанно приветствуют результаты работы, однако скептически относятся к тому, что такая компьютерная модель решит загадку из-за сложности простого и практического обоснования возможности транспорта ксенона внутрь Земли.

Высокая температура и давление в центре Земли могут привести к образованию устойчивых (при этом давлении и температуре) производных ксенона. (Рисунок: © Shuttershock)

Загадка ксенона заключается в том, что в отличие от содержания и изотопного распределения более легких благородных газов – аргона и криптона, его содержание и изотопное распределение в углистых хондритах значительно отличается от того, что наблюдается в современной атмосфере. Вместе с тем, можно однозначно полагать очень близкое родство углистых хондритов и первичного вещества Земли. Для объяснения этой загадки было предложено несколько, зачастую противоречащих друг другу объяснений.

Некоторые предполагают то, что за время формирования Земли произошло селективная потеря Земли ксеноном. Например, специалисты по экспериментальной геохимии Святослав Щека (Svyatoslav Shcheka) и Ганс Кеплер (Hans Keppler) высказали предположение о том, что аргон и криптон могли раствориться в первичном магматическом океане, а ксенон, который не растворился в нем, был утерян Землей в ходе метеоритной бомбардировки [2], а криптон и аргон после застывания магмы и образования земной коры высвободились из «ловушек» и вернулись в атмосферу.

Другие группы предполагают, что ксенон до сих пор может быть заперт внутри Земли – так исследователи из группы Артема Оганова (Artem Oganov) в 2012 году предположили, что оксиды и силикаты мантии Земли могут содержать небольшое количество ксенона.

Структура соединения ксенон-железо. Вид сверху (слева) и трехмерное отображение (справа). Атомы железа обозначены желтым, а ксенона – синим. (Рисунок из Nat. Chem., 2014, DOI: 10.1038/nchem.1925)

Специалист по компьютерному моделированию Яньмин Ма (Yanming Ma) с коллегами из Университета Цилинь (Китай) использовали собственный алгоритм определения электронной структуры вещества для того, чтобы предоставить доказательства в пользу того, что в условиях экстремальных давления и температуры, свойственных внутреннему ядру Земли, ксенон может образовать несколько устойчивых интерметаллических соединений с основными компонентами ядра – никелем и железом. Самыми устойчивыми структурами из смоделированных являются XeFe₃ и XeNi₃.

Альтернативный алгоритм, разработанный в группе Криса Пикара (Chris Pickard) из Имперского Колледжа Лондона позволил получить сходные результаты – в ядре Земли могут существовать устойчивые соединения ксенона, но не других инертных газов – расчеты показывают, что в условиях, свойственных ядру Земли, аналогичные по строению интерметаллиды криптона и аргона не могут образоваться.

И Оганов и Щека приятно удивлены фундаментальной химией, описанной в новой работе; Оганов замечает, что пусть даже и смоделированное образование устойчивого стехиометрического соединения инертного газа с металлами открывает новую эру в химии. Тем не менее, ни Оганов, ни Щега не считают, что возможность образования XeFe₃ и XeNi₃ дает ответ на ксеноновую загадку.

Так, Оганов заявляет, что ряд других данных Ма и Пикара показывают, что соединения ксенона становятся устойчивыми только в условиях давления ядра Земли, поэтому неясно, каким образом ксенон мог попасть на такую глубину, где его «перехватили» железо и никель, а Щека подчеркивает, что в соответствии с текущими геохимическими воззрениями, ксенон исчез из атмосферы еще до того, как произошло окончательное формирвание твердого ядра Земли.

Источники: [1] Nat. Chem., 2014, DOI: 10.1038/nchem.1925; [2] Nature, 2012, 490, 531 (DOI:10.1038/nature11506)

метки статьи: #геохимия, #квантовая химия, #неорганическая химия, #природа химической связи