Visszatért asztrokémiai sorozatunk, amelynek aktuális részében a Naprendszer csóvás vándorait vesszük górcső alá (vagy távcsővégre?). Az egyszerű kémiától (háh!) a bonyolultig eljutva kiderül, hogy mi köze az üstökösöknek a kovalens kötésekhez. És hogy miért zöldek olykor.
Itt a nyár, és vele együtt a csillaghullás főszezonja. Már csak néhány kánikulai napot kell átvészelni, hogy újra feltűnjenek az éjszakai égbolton a Perseidák. (Amiknek a megfigyelését kiválóan össze lehet kötni az idei Egy hét a csillagok alatt valamelyik rendezvényével.) Ami viszont még egy augusztusi hullócsillagzáportól is nagyobb lázba tudja hozni a csillagászat iránt érdeklődőket, azok a magányos üstökösök, amelyek saját útjukat járva időről időre megközelítik bolygónkat. Legutóbb az év elején volt részünk ebben az élményben, amit még különlegesebbé tett az, hogy az égbolton áthúzó C/2022 E3 (ZTF) nevű üstökös zöld színben pompázott. Bár nagyon valószínű, hogy az üstökös megpillantása közben nem sokan töprengtek a zöld szín eredetén, mégis érdemes egy kicsit elgondolkodni rajta, már csak azért is, mert a különleges szín hátterében egy alapvető, ugyanakkor meglepően bonyolult kémiai probléma húzódik meg. És még az sem kizárt, hogy ezzel közelebb juthatunk az élet olyan nagy kérdéseinek a megfejtéséhez, mint hogy kell-e tudni, mi is az a kovalens kötés.
Baljós látogatók
Az üstökösökre évszázadokon át baljós jelként, valamilyen jelentős és legtöbbször nem éppen kellemes változás hírnökeként tekintettek. Ma viszont már egészen más a helyzet: egy üstökös a legtöbbünknek egy ritka látványosságot jelent, néhány csillagász viszont egyenesen a Naprendszer eredetének vagy éppen a földi élet kialakulásának megfejtését látja benne. Ezeket a porból, kőből és jégből álló piszkos hógolyók ugyanis az űr leginkább érintetlen objektumai, amik az évmilliárdok során csak alig-alig változtak. Kémiai szempontból az üstökösök viszonylag egységesek, főleg víz- és szén-dioxid jégből, valamint porból állnak, ami arra utal, hogy ezek az égitestek néhány tíz Kelvin körüli hőmérsékleten jöttek létre. A bolygókhoz hasonlóan ezek az égitestek is itt, a mi Naprendszerünkben keletkeztek azoknak a gáz- és porfelhőknek a maradékából, amik összezuhanásából a Nap is létrejött. A jelenleg ismert nagyjából négyezer üstökös részben a Plútó pályáján túli Kuiper-övben, részben pedig a még távolabb húzódó Oort-felhőben található, a Naprendszer legkülső régiójában Ezeken a fő gyűjtőhelyeken a körülmények meglehetősen fagyosak, a hőmérséklet 30K (-243˚C) alatt van, ezért egy-egy üstökös kiválóan meg tudja őrizni a Naprendszer kialakulásának kezdetéről származó összetevőit.
Az esetek döntő az üstökösök nem is nagyon mozdulnak ki ezekből a régiókból, azonban időről időre előfordul, hogy ütközés vagy valamilyen más gravitációs hatás következtében elhagyják a hűvös és biztonságos otthonukat, és elindulnak a Naprendszer belseje felé. A Naphoz közelítve fokozatosan változnak meg a körülmények. Az első észrevehető változás akkor történik meg, amikor a Napból érkező UV-sugárzás mértéke eléri azt a határt, ami már képes ionizálni az üstökös molekuláinak leggyengébb kötéseit. Ezek a kötések a szén-dioxid molekulában találhatók, amiből a sugárzás hatására egy pozitív töltésű OC+ ion jön létre,a mi folyamatosan távolodik a Naptól. A kiszabaduló részecskék hozzák létre a kék színű ion csóvát, ami az elsőként megfigyelhető – bár rendkívül halvány – “üstökösszerű” dolog a Nap felé vezető út során.
Az út következő állomásaként, nagyjából a Mars pályája körül az üstökös annyira felforrósodik, hogy a felszínén lévő jeges réteg szublimálni kezd, ami különböző gáz halmazállapotú anyagok, illetve porszemcsék kiszabadulásához vezet. A szabaddá váló anyag egy nagy kiterjedésű diffúz felhőbe burkolja be az üstökös magját. Ezt a diffúz felhőt nevezzük az üstökös kómájának.
Amellett, hogy felmelegítik az üstökös felszínét és ionizálják a szublimáló gázokat, a napsugarak okozta nyomás a porszemcséket is leszorítja a kóma külső részéről, ami létrehoz egy második, fehér csóvát is. Ezt nevezzük az üstökös por csóvájának, ami akár a teljes éjszakai égbolton is átívelhet. Az ebben található különböző méretű és formájú szemcsék a legkülönbözőbb irányokban verik vissza a napsugarakat, a visszavert fényt pedig a földi kamerák és teleszkópok képesek észlelni – vagy akár kivételes közelségben a két szép szemünk is. És miközben az ion csóva keskeny marad – hiszen az azonos típusú ionok mind azonos méretűek -, addig a por csóva kiszélesedik, mert a szemcsék mérete, és így a sebességük is eltérő. A legnagyobb részecskék teljesen le is szakadhatnak a csóváról létrehozva egy törmelék sávot, ami továbbra is az üstökös pályáján fog mozogni, de idővel egyre inkább kiszélesedik. Amikor pedig egy bolygó, például a Föld keresztezi a kiszélesedett sávot, a benne lévő törmelék meteor rajként, vagyis csillaghullásként lesz látható miközben elég a bolygó légkörében.
Egy üstökös tehát nemcsak egy, hanem rögtön két csóvával hívja fel magára a figyelmet: egy fehér(es) porból állóval, és egy kék ion csóvával. Ez azonban még mindig nem minden. A bevezetőben már emlegetett ZTF üstökös volt a legutóbbi példa arra, hogy a fehér és kék csóvák mellett az üstökös kómája is élénk színben ragyoghat, méghozzá legtöbbször zöldben. Nézzük, hogy mit mond erről a kémia.
De miért pont zöld?
Sokan és sokszor megfigyelték már, hogy egyes üstökösök magja zöldes fénybe burkolózik, miközben a csóva fehér marad. 2021 decemberében például aligha volt érdekesebb látvány a csillagos égen, mint az a halvány pötty, ami kora reggel és késő este vált láthatóvá. Ez a pötty nem volt más, mint a Leonard vagy más néven a “2021 karácsony” üstökös. December 12-én, amikor a legközelebb járt a Földhöz, akár egy kisebb binokulárral is meg lehetett pillantani. A szerencsések ekkor a zöld ködszerű kómát is megcsodálhatták, ami a magot körbevette.
Arra, hogy mi okozza a zöld színt, már az 1930-as évek óta létezett elméleti magyarázat. Eszerint a zöld glóriát az elemi szén egy nem túl ismert, bár eléggé egyszerűnek tűnő változata, a dikarbon (C2) molekula okozza. A C2 molekula ugyanis, miután szublimáció útján kiszabadul az üstökös mag fagyos kérgéből, a Nap UV-sugarai hatására gerjesztődik, vagyis néhány elektronja a megszokott állapothoz képest átmenetileg többlet energiára tesz szert. Természetesen ez a nagyenergiájú állapot nem tartható fenn a végtelenségig, rövid idő elteltével a gerjesztett elektronok visszatérnek egy alacsonyabb energiájú állapotba, a korábban beszerzett extra energiától pedig elektromágneses sugárzás vagyis fény kibocsátása útján szabadulnak meg. A kibocsátott fény hullámhossza, azaz a színe pedig mindössze attól függ, hogy milyen molekuláról van szó. A dikarbon esetében például a hullámhossz a látható tartományba, annak is a kékes-zöld részére esik.
Annak a magyarázata pedig, hogy a szín miért csak a kómára terjed ki, a dikarbon molekula szénatomjai közti kötésben keresendő. A dikarbon ugyanis fényérzékeny, a napsugárzás hatására elbomlik, viszont ez a fotodisszociáció időigényes folyamat, nem egyetlen pillanat alatt roncsolja el a molekulát. A C2 két atomja között ugyanis többszörös kötés található (olyasmi, mint az oxigén vagy a nitrogén molekulában), aminek az elszakításához a molekulának egyidejűleg két Napból érkező fotont kell elnyelnie, aminek nagyon kicsi a valószínűsége. Ez pedig oda vezet, hogy egy-egy szublimáló C2 molekula átlagosan két napig is létezhet, és zölden világíthat, mielőtt a fotodisszociáció megsemmisíti. Ez az idő elegendő ahhoz, hogy a kóma körül látható legyen a zöld felhő, de ahhoz túl rövid, hogy a világító C2 eljusson a csóváig, ami így fehér marad. Összességében az üstökös zöld színe egyrészt arra utal, hogy a kóma nagy mennyiségű C2-t tartalmaz, másrészt arra, hogy az üstökös aktív, tehát van még benne szublimálni képes anyag, harmadrészt pedig, hogy az üstökös meleg, azaz közel jár a Naphoz.
A fenti elmélet már évtizedek óta ismert és széles körben elfogadott volt, csakhogy, mivel a dikarbon túlságosan instabil volt ahhoz, hogy földi körülmények között tesztelhessék, hiányzott a kísérleti bizonyíték és a fotodisszociáció pontos mechanizmusa.
Hosszas várakozás után végül 2021-be ausztrál kutatóknak sikerült elsőként laborban is megfigyelni a C2 fotodisszociációját. Ehhez egy vákuumkamrában állítottak elő dikarbont úgy, hogy a tetraklór etilén (C2Cl4) molekuláról UV-lézer segítségével szakították le a klór atomokat, majd egy másik lézerrel elszakították a két szénatom közötti kötést, hogy ezt követően a szétrepülő szénatomok sebességét megmérve ki tudják számolni a C2 molekula kötésdisszociációs energiáját, vagyis azt, hogy mekkora energiára van szükség a szén-szén kötés elszakítására. A kísérletben egy harmadik fajta lézert is felhasználtak abból a célból, hogy gerjesszék a C2 molekula elektronjait és megfigyeljék, hogy milyen jelenség kíséri a magasabb energiaszintre kerülésüket. A kísérlet végül beváltotta a hozzá fűzött reményeket, és az ausztrál csoportnak elsőként sikerült megfigyelnie és kísérleti úton is igazolnia, hogy valóban a dikarbon molekulák állnak a zöld fény mögött. A mechanizmus tisztázása és a kötéserősség megmérése után ráadásul már az is lehetséges volt, hogy kiszámolják a C2 molekula átlagos élettartamát. Az így kapott 160000 másodperc (kb. 2 nap) pedig jó összhangban van a csillagászok megfigyeléseivel is.
Bonyolult kémia
A dikarbon tehát az egyszerűsége ellenére, vagy talán éppen amiatt, már régóta lázban tartotta a csillagászokat és a vegyészeket egyaránt. A C2 molekula, a nitrogén (N2) és oxigén (O2) molekulák mellett az egyik legalapvetőbb kétatomos anyag. A szén, a nitrogénhez és az oxigénhez hasonlóan a periódusos rendszer főcsoportbeli elemei közé tartozik, ráadásul közvetlen a másik kettő mellett található. Emellett mindhárman képesek homonukleáris (vagyis azonos atomokból álló) kétatomos molekulákat létrehozni. Mindezek alapján a C2, a másik két molekulához hasonlóan, a kémiai kötésekről szóló tudásunk egyik alapköve kéne, hogy legyen.
Csakhogy, miközben a nitrogén és oxigén molekulákban található kötések erősségére már hosszú ideje rendelkezünk nagy pontosságú mérési eredményekkel, a dikarbon szén-szén kötésének erősségére vonatkozóan sokáig csak egy nagyságrenddel pontatlanabb eredményeink voltak. A 2021-es kísérletnek sikerült áttörést hoznia ezen a területen, ekkor sikerült először olyan mérést végrehajtani, ami a C2 kötéserősségét ugyanolyan pontossággal tudta megadni, mint amilyen pontosak az O2-re és az N2-re rendelkezésre álló adatok.
A dikarbon más okból is különleges esetnek számít a molekulák között. A vegyészek körében régóta zajlott a vita arról, hogy vajon lehetséges-e háromszoros nagyobb kötésrend (vagyis a hármas kötésnél erősebb kémiai kötés) egy molekulán belül. Idővel bebizonyították, hogy négyszeres vagy akár hatszoros kötésrend is előfordulhat, csakhogy ez sokáig kizárólag egyes átmeneti fémek, valamint a lantanoidák és aktinoidák körében volt elképzelhető, a főcsoportbeli elemeknél, amilyen a szén, a nitrogén és az oxigén, továbbra is lehetetlennek tartották a háromszorosnál erősebb kötést két atom között. Azonban míg azt pontosan tudjuk, hogy az oxigén, illetve a nitrogén molekula atomjai között egy kétszeres, illetve egy háromszoros kovalens kötés található, addig a C2 esetében messze nem ilyen egyértelmű a helyzet. A legegyszerűbb elképzelés szerint a két szénatom között egy klasszikus kétszeres kötés jöhetne létre, hasonlóan az O2 molekulához, csakhogy az ebből következő fizikai és kémiai tulajdonságok nincsenek összhangban a molekula ténylegesen megfigyelt reaktivitásával és instabilitásával.
Egy másik elképzelés szerint, amit részletes kvantumkémiai számításokkal is igyekeztek alátámasztani, a C2 lehet az a molekula, ami végleg megcáfolja, hogy a négyszeres kovalens kötés elérhetetlen. A számításokat elvégző kutatócsoport tagjai arra jutottak ugyanis, hogy a dikarbon két szénatomja között egy hármas kötés található, hasonlóan a nitrogénhez, emellett viszont a két atomon szabadon maradó egy-egy elektron kialakít egy negyedik kötést is. Ez a kötés, a szokatlan elhelyezkedése miatt, a számítások szerint jóval hosszabb, mint a másik három, cserébe viszont az erőssége is csak mintegy 15%-a hagyományos kötések erősségének. Csakhogy már ez a 15%-os többlet is elegendő ahhoz, hogy befolyásolja a dikarbon reaktivitását.
A négyszeres kötésrend ötlete azonban nem győzött meg mindenkit. Ha összehasonlítjuk a különböző két szénatomos molekulákat, akkor azt látjuk az etán (C2H6) etilén (C2H4), acetilén (C2H2) sorban haladvan, ahol a molekulák két szénatomja között rendre egyszeres, kétszeres, illetve háromszoros kötés található, a kötés erőssége és a kötésdisszociációs energia fokozatosan növekszik, míg a kötés hossza csökken. Ez alapján, ha a C2 csakugyan rendelkezik négyszeres kötéssel, akkor azt várhatnánk, hogy a kötés erőssége és a disszociációjához szükséges energia is meghaladja az acetilénre mért értékeket. Ezzel szemben a kísérleti adatok, köztük a legpontosabb, 2021-es eredmények is azt mutatják, hogy a dikarbon C-C kötées gyengébb, mint az acetiléné, bár valamivel erősebb, mint az etiléné. Vagyis az tűnik valószínűbbnek, hogy még a C2 esetében sem beszélhetünk klasszikus négyszeres kovalens kötésről, noha a molekula szénatomjai közti kötés valóban négy különböző komponensből tevődik össze, de ezek egyik sem éri el egy normál kovalens kötés erősségét. A dikarbon kötésrendje így kettő lesz, ugyanúgy, mint az etilén esetében, a kötés erőssége pedig csak kis mértékben haladja meg az etilénre mért értéket.
A dikarbon esete jól mutatja, hogy akár egy kicsi és látszólag egyszerű molekula is okozhat fejtörést, és hogy a segítségével nagyon gyorsan eljuthatunk az üstökösök színétől az olyan alapvető kémiai kérdésekig, hogy mi is az a kémiai kötés. Ha pedig a bejegyzés elolvasása után valaki úgy gondolja, hogy a kovalens kötésről tanulni mégsem volt teljesen elpazarolt idő, akkor azt mindenképpen jelezze kommentben!
Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol rendszeresen olvashatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat – tudományról és science fictionről egyaránt.