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Astrophysique et astrochimie Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences Géologiques 2013-2014 Chapitre 2: Processus chimiques (suite)

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1 Astrophysique et astrochimie Michaël De Becker Masters en Sciences Chimiques et Sciences Géologiques Chapitre 2: Processus chimiques (suite)

2 Plan du chapitre 2 (suite) Limportance des processus à la surface des grains de poussière Vue schématique dun processus en surface - Accrétion - Migration en surface - Réaction - Evaporation La formation de lhydrogène moléculaire Réseaux chimiques à la surface des grains de poussière

3 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Phase gazeuse: problème de la densité faible ISM diffus: 10 2 cm -3 nuage moléculaire: cm -3 CSM dense: cm -3 (… atmosphère terrestre au niveau de la mer: cm -3 ) cinétique insatisfaisante

4 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Phase gazeuse: problème de la densité faible ISM diffus: 10 2 cm -3 nuage moléculaire: cm -3 CSM dense: cm -3 (… atmosphère terrestre au niveau de la mer: cm -3 ) cinétique insatisfaisante Filière parallèle pour produire des molécules? Une catalyse est-elle envisageable?

5 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Phase gazeuse: problème de la densité faible ISM diffus: 10 2 cm -3 nuage moléculaire: cm -3 CSM dense: cm -3 (… atmosphère terrestre au niveau de la mer: cm -3 ) cinétique insatisfaisante Filière parallèle pour produire des molécules? Une catalyse est-elle envisageable? piste à envisager: catalyse hétérogène nécessite la présence de corps solides en abondance suffisante

6 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Phase gazeuse: problème de la densité faible ISM diffus: 10 2 cm -3 nuage moléculaire: cm -3 CSM dense: cm -3 (… atmosphère terrestre au niveau de la mer: cm -3 ) cinétique insatisfaisante Filière parallèle pour produire des molécules? Une catalyse est-elle envisageable? piste à envisager: catalyse hétérogène nécessite la présence de corps solides en abondance suffisante : poussières!!

7 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

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9 Poussières: Taille: ~ 0,001 à ~ 1 m Composition: - très difficile à déterminer, pas de signature spécifique, uniquement des signatures génériques associées à certaines classes de composés - essentiel de la masse : éléments de poids atomique supérieur ou égal à 12 (C, O, N, Si, Mg, Fe) - graphite, silicates, glaces sales… - couches externes éventuellement riches en molécules diverses Structure: Complexe, variable (lieu et temps…)

10 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: vue schématique (2 approches) Langmuir-Hinshelwood –Accretion –Migration –Réaction –Ejection Eley-Rideal –Accretion - Réaction –Ejection

11 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: vue schématique (2 approches) Langmuir-Hinshelwood –Accretion –Migration –Réaction –Ejection Eley-Rideal –Accretion - Réaction –Ejection

12 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Accretion: Densité en nombre des poussières Section efficace des grains Vitesse moyenne des particules Facteur defficacité Physisorption: interactions de type van der Waals, ~ 0.1 eV Chimisorption: interactions plus fortes, formation dune liaison chimique, ~ quelques eV

13 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Migration: - Surface du grain : multitude de sites potentiels de physisorption et de chimisorption. - La migration consiste en un changement de site dadsorption, nécessitant de franchir des barrières de potentiel plus ou moins hautes. - La migration est dautant plus probable que linteraction est faible et que la température caractéristique du grain est grande Temps caractéristique de migration Température caractéristique du grain Barrière de migration

14 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Migration: - Lefficacité des processus en surface repose essentiellement sur la mobilité des partenaires réactionnels. - Généralement, les espèces chimiques les plus lourdes sont moins mobiles. - Franchir les barrières de potentiel est envisgeable selon deux approches: tunnelling ou thermique

15 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Migration: C C

16 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Migration: P P

17 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Migration: C P

18 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Réaction: Migration vers un site occupé interaction entre espèces chimiques

19 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Réaction: Migration vers un site occupé interaction entre espèces chimiques - sans E a

20 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Réaction: Migration vers un site occupé interaction entre espèces chimiques - sans E a - avec E a : Réactions fortement inhibées en phase gazeuse. Le temps de résidence accru sur la surface rend ces processus plus efficaces.

21 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Réaction: avec barrière dactivation p : probabilité de réaction sur un site donné p o : probabilité de pénétration de la barrière dactivation p m : probabilité de migration sur un site adjacent Nombre de fois que le site est visité: Probabilité de réaction à la k ème visite: Probabilité de réaction:

22 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Réaction: avec barrière dactivation p : probabilité de réaction sur un site donné p o : probabilité de pénétration de la barrière dactivation p m : probabilité de migration sur un site adjacent Nombre de fois que le site est visité: Probabilité de réaction: Réaction favorisée par un long temps de résidence, une couverture superficielle de sites réactionnels élevée, et une probabilité de pénétration élevée. Probabilité de réaction à la k ème visite:

23 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Processus en surface: Evaporation: Le temps de résidence peut être exprimé de la façon suivante: Energie de liaison avec le grain de poussière Facteur de fréquence vibvrationnelle ( f(m) ) Température caractéristique du grain Facteurs favorisant un long temps de résidence: - masse élevée - température faible - énergie de liaison élevée

24 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : 2 types de site: P et C flux de H en provenance de la phase gazeuse vers P uniquement réaction immédiate si un H migre vers un site occupé monocouche

25 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : 2 types de site: P et C flux de H en provenance de la phase gazeuse vers P uniquement réaction immédiate si un H migre vers un site occupé monocouche

26 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Taux de formation avec rétention en surface: Taux de désorption total: : fraction dhydrogène moléculaire qui reste adsorbé immédiatement après formation

27 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Cas limite: basse température - migration C P inhibée accumulation dans C - processus le plus efficace pour former H 2 : migration dun H(P) mobile vers un H(C) - hyp: état stationnaire la couverture superficielle ne varie pas

28 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Cas limite: basse température - migration C P inhibée accumulation dans C - processus le plus efficace pour former H 2 : migration dun H(P) mobile vers un H(C) - hyp: état stationnaire la couverture superficielle ne varie pas

29 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Présence simultanée de H et D

30 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Présence simultanée de H et D - Sites de physisorption

31 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Présence simultanée de H et D - Sites de physisorption

32 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Présence simultanée de H et D - Sites de chimisorption

33 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Présence simultanée de H et D - Sites de chimisorption

34 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Présence simultanée de H et D - Produits résultant de ces processus:

35 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : Présence simultanée de H et D - Produits résultant de ces processus: Taux de formation de lhydrogène moléculaire:

36 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Formation de H 2 : hypothèses affectant les résultats - seules H, D et les molécules formées de ces espèces sont considérées -en cas de taux daccrétion élevé, lhypothèse de la monocouche nest plus valable -la photodissociation a été négligée -seul le mécanisme de Langmuir-Hinshelwood a été considéré; celui dEley- Rideal pourrait devenir significatif en cas de couverture surfacique importante -quatre types de coefficients de diffusion ont été considérés; une représentation plus réaliste envisagerait une distribution de coefficients différents, tenant compte des propriétés variables des sites dadsorption

37 Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière Exemples de réseaux chimiques en surface: Chimie du CO…


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