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Fondamenti di chimica

Siamo polvere di stelle? L’incontro di due atomi nell’universo

Come si sono formate le molecole degli elementi di cui siamo fatti, degli oggetti che ci circondano e che popolano l’intero universo? Un articolo firmato dai chimici dell’Università di Torino chiarisce come questo sia possibile nonostante la bassissima densità di molecole nel nostro universo

Quante molecole di ossigeno ci sono in un centimetro cubo della nostra atmosfera? Usando la legge dei gas perfetti, che lega in un’equazione pressione, volume, temperatura e quantità di una sostanza, arriviamo a circa 10^19, un numero enorme, che implica 2 miliardi di urti al secondo tra le molecole! Urti incessanti che determinano un’estrema instabilità delle molecole particolarmente reattive: in pochi miliardesimi di secondo qualche riarrangiamento atomico trasformerà la specie instabile in una più stabile. Ma esiste un luogo privo di atomi e molecole? In effetti gli spazi tra le stelle, che ammiriamo in un cielo notturno, sembrano completamente vuoti, a differenza della nostra atmosfera. Ma l'impressione è falsa. Gli studi fatti tramite i radio telescopi ci dicono che gli spazi interstellari sono ricchi di molecole! Anche se mai quanto la nostra atmosfera: sono appena 10 mila atomi per centimetro cubo. Ciò significa una collisione ogni 10 anni!
La specie più abbondante dell’universo è l’idrogeno (H2) la più semplice delle molecole biatomiche. Eppure è difficile spiegare la sua formazione: due atomi di idrogeno (H) se si scontrano formano H2, ma subito la molecola si rompe, perché per via delle basse densità, non trova un altro atomo a cui scaricare l'eccesso di energia ottenuta formando il legame H-H. È un enigma che ha tenuto impegnati gli astrochimici a lungo, finché si è trovata la soluzione: mentre le stelle bruciano il loro combustibile nucleare atomi di carbonio, ossigeno, magnesio, silicio e ferro evaporano dalla loro atmosfera esterna verso lo spazio interstellare che è estremamente freddo. Incontrandosi questi atomi reagiscono e formano "grani" di carbonio o di olivina, un comune silicato di ferro e magnesio. Si forma così una "polvere di stelle" che pervade gli spazi interstellari e la gravità ne aggrega vere e proprie nubi che, schermando la luce delle stelle, agiscono da trappole freddissime (di 10 K, cioè circa -263 °C) per gli atomi, che, incontrando un grano, tendono a rallentare la loro corsa interstellare e, venirne attratti. Una volta atterrati, con il tempo si spostano fino a incontrarsi e allora ecco che si forma H2! Ma stavolta l'energia che prima lo faceva rompere si trasferisce da una parte al grano scaldandolo un poco e dall’altra all'H2 spingendola via mandandola a popolare gli spazi interstellari. In altre parole i grani agiscono da catalizzatori di reazione e disperdono l'energia liberata ogni volta che si forma una molecola. I dettagli atomistici di questo processo su un grano di olivina sono stati studiati congiuntamente dai gruppi di Chimica Teorica del Dipartimento di Chimica dell'Università di Torino e dell'Università Autonoma di Barcellona con i metodi della chimica quantistica, e pubblicati sulla rivista “Chemical Communication”. Questo studio chiarisce i dettagli più intimi dell'incontro degli atomi e la formazione di H2 fornendo dati molto accurati sulle energie coinvolte.


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