Una delle prime lezioni di chimica, soprattutto alle scuole superiori e anche all’università, è far comprendere agli studenti cosa sia una reazione chimica e, successivamente, quali siano le variabili che possono influenzarla.
Questa ultima cosa spesso e volentieri non viene presa molto in considerazione e viene relegata ad un livello marginale, invece una reazione chimica non dipende solo dalle sostanze coinvolte, ma anche dalle condizioni esterne in cui essa avviene. Temperatura, pressione, concentrazione dei reagenti e ambiente chimico sono fattori determinanti nel definire se una reazione avverrà, con quale velocità e quali prodotti si formeranno.
Ed è un modo per far comprendere a tutti la complessità e la bellezza dell’universo che è tutto intorno a noi e non sempre le cose sono tutte o bianche o nere e le sfumature di colori (in questo caso le reazioni chimiche) rendono piu’ avvincente lo studio della chimica.
Immaginate di essere in un laboratorio sulla Terra e realizzate un esperimento di chimica sulle reazioni chimiche, i vostri studenti dovrebbero comprendere che qualsiasi reazione avviene in un sistema (becher, matracci, palloni o in generale qualsiasi contenitore che contenga i reagenti chimici) che è influenzato dall’ambiente che lo circonda. Insieme, costituiscono l’universo.
Questo principio fondamentale della chimica diventa ancora più evidente quando osserviamo ciò che accade al di fuori della Terra, in ambienti estremi come quelli dei pianeti giganti del Sistema Solare. In condizioni di pressione e temperatura completamente diverse da quelle terrestri, le molecole possono comportarsi in modo inatteso, dando origine a fenomeni spettacolari.
I giganti di ghiaccio del Sistema Solare
A differenza dei giganti gassosi come Giove e Saturno, Nettuno e Urano sono classificati come giganti di ghiaccio. L’atmosfera di Nettuno, sebbene simile a quelle sia di Giove che di Saturno essendo composta principalmente da idrogeno ed elio, possiede anche maggiori proporzioni di “ghiacci”, come acqua, ammoniaca e metano, assieme a tracce di idrocarburi e forse azoto.
Tra queste molecole, il metano riveste un ruolo fondamentale. Oltre a essere responsabile del caratteristico colore blu di Nettuno, esso contiene carbonio, l’elemento chimico alla base della formazione dei diamanti.
Le condizioni estreme all’interno di Nettuno
Scendendo nelle profondità di Nettuno, le condizioni fisiche cambiano drasticamente.
A migliaia di chilometri sotto la superficie:
- la pressione può superare un milione di atmosfere
- la temperatura può raggiungere diverse migliaia di gradi Kelvin
In queste condizioni estreme, le molecole non rimangono stabili come sulla Terra. I legami chimici possono rompersi e gli atomi possono riorganizzarsi formando strutture completamente nuove.
Il metano, per esempio, diventa instabile. I suoi legami carbonio–idrogeno si spezzano e la molecola si decompone secondo un processo semplificato che può essere rappresentato come:
CH₄ → C + 2H₂
L’idrogeno viene liberato, mentre il carbonio rimane disponibile sotto forma atomica.
Dal carbonio al diamante
A questo punto entra in gioco la fisica dello stato solido.
Il carbonio può esistere in diverse forme allotropiche, tra cui grafite e diamante. La forma che si stabilizza dipende dalle condizioni di pressione e temperatura. Alle pressioni estreme presenti nel mantello dei giganti ghiacciati, la struttura più stabile per il carbonio è quella del diamante, caratterizzata da un reticolo cristallino tridimensionale estremamente compatto.
Gli atomi di carbonio quindi si aggregano, formando piccoli nuclei cristallini che crescono progressivamente. Si generano così nanocristalli di diamante.
Una vera pioggia di diamanti
I diamanti hanno una densità molto maggiore rispetto al fluido circostante composto da acqua, ammoniaca e idrocarburi.
Per questo motivo, una volta formati, i cristalli iniziano a sprofondare verso gli strati più profondi del pianeta sotto l’effetto della gravità.
Il risultato è un fenomeno straordinario: una pioggia di diamanti che cade attraverso il mantello del pianeta. Secondo alcuni modelli teorici, questi cristalli potrebbero raggiungere dimensioni considerevoli durante la loro discesa, prima di arrivare negli strati ancora più profondi dove le temperature diventano così elevate da poterli nuovamente fondere.
Si ipotizza da tempo che le precipitazioni si formino a oltre 8.000 chilometri sotto la superficie di Urano e Nettuno, formate da miscele comunemente presenti solo di idrogeno e carbonio. Tuttavia, negli ultimi anni alcuni esperimenti hanno fornito importanti conferme.
Ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University sono riusciti a ricreare in laboratorio condizioni simili a quelle presenti all’interno dei giganti ghiacciati.
Utilizzando impulsi di laser estremamente potenti per comprimere materiali ricchi di carbonio e idrogeno, gli scienziati hanno generato pressioni e temperature paragonabili a quelle del mantello di Nettuno.
Le misure effettuate con tecniche di diffrazione a raggi X hanno mostrato la formazione di nanodiamanti in tempi dell’ordine dei nanosecondi, confermando che la trasformazione del carbonio in diamante è effettivamente possibile nelle condizioni previste per questi pianeti.
Quando la chimica diventa planetaria
Il fenomeno della pioggia di diamanti non è soltanto una curiosità spettacolare. Ha implicazioni importanti per la comprensione della struttura interna dei pianeti.
Questo esempio dimostra in modo affascinante quanto sia importante considerare sempre le condizioni esterne quando si studiano le reazioni chimiche. Una molecola comune come il metano, stabile e ben conosciuta sulla Terra, può trasformarsi in qualcosa di completamente diverso se sottoposta a pressioni e temperature estreme.
Ed è proprio così che, nelle profondità di Nettuno, la chimica dà origine a uno dei fenomeni più sorprendenti del Sistema Solare: una pioggia di diamanti che cade attraverso l’interno di un pianeta gigante.
Dott. Francesco Domenico Nucera
FONTI:
- Kraus, D., Vorberger, J., Pak, A. et al. Formation of diamonds in laser-compressed hydrocarbons at planetary interior conditions. Nat Astron 1, 606–611 (2017). https://doi.org/10.1038/s41550-017-0219-9
- https://www.media.inaf.it/2017/08/22/dentro-nettuno-piovono-diamanti/
Pillole di chimica 