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

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

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

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?

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

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!!

Chapitre 2: Chimie à la surface des grains de poussière

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…)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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:

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:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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:

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:

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

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