Po 200 latach fundamentalna zagadka chemii fizycznej mogła zostać rozwiązana: ScienceAlert

Pytanie, jak dokładnie protony poruszają się w wodzie w polu elektrycznym, od wieków fascynowało naukowców. Teraz, ponad 200 lat po ostatnim wglądzie w to zjawisko, naukowcy mają pewną jasność.

W 1806 roku Theodor Grottos wysunął hipotezę znaną jako Mechanizm grot W przypadku „skoku protonu”, o tym, jak ładunek przepływa przez roztwór wody.

Natomiast hipoteza Grot była jak na swoje czasy bardzo postępowym myśleniem – wyprzedzającym protonya nawet rzeczywista struktura wody, była nawet znana – współcześni badacze od dawna wiedzą, że nie zapewnia ona pełnego zrozumienia tego, co działo się na poziomie molekularnym.

Najnowsze odkrycia na ten temat mogły odkryć tajemnicę, rozwiązując struktury elektronowe mokrych protonów, które przez tak długi czas były nieuchwytne.

Wyniki sugerują, że protony poruszają się w wodzie w „pociągach” trzech cząsteczek wody, z „torami” zbudowanymi z przodu pociągu, gdy ten się posuwa i ciągnie w górę po jego przejściu.

Ta pętla może trwać w nieskończoność, przesuwając protony w wodzie. Chociaż pomysł był proponowany już wcześniej, nowe badanie identyfikuje inną strukturę molekularną, która według autorów badania najlepiej pasuje do proponowanego rozwiązania Grotthuss.

„Dyskusje na temat mechanizmu Grot i natury rozpuszczalności protonu w wodzie nasiliły się, ponieważ jest to jedno z najbardziej fundamentalnych wyzwań w chemii” Chemik Ehud Pines mówi: z Uniwersytetu Ben-Guriona na Negewie w Izraelu.

Nowe badanie jest przekonujące, ponieważ łączy podejście teoretyczne z eksperymentami fizycznymi Możliwe dzięki najnowszym postępom technologicznym. Badacze wykorzystani Spektroskopia absorpcji promieniowania rentgenowskiego (XAS), aby zaobserwować, jak ładunki protonów wpływają na elektrony w pojedynczych atomach tlenu w wodzie.

Zgodnie z oczekiwaniami efekt był silniejszy w przypadku trzech cząsteczek wody, aczkolwiek w różnym stopniu w przypadku każdej pojedynczej cząsteczki wewnątrz potrójnego bloku. Naukowcy odkryli grupy trzech cząsteczek, które tworzą łańcuchy z protonem.

Naukowcy połączyli również symulacje chemiczne i obliczenia na poziomie kwantowym, aby określić interakcje między protonami i sąsiednimi cząsteczkami wody, gdy protony poruszały się w cieczy.

„Zrozumienie tego mechanizmu to czysta nauka, przesuwanie granic naszej wiedzy i zmiana jednego z naszych podstawowych pojęć na jeden z najważniejszych mechanizmów transportu masowego i żeglugi w przyrodzie” Baines mówi.

To odkrycie odgrywa dużą rolę Inne procesy chemicznew tym fotosynteza, oddychanie komórkowe i transfer energii w wodorowych ogniwach paliwowych.

Nie tylko niezwykłe rozwiązanie, ale także sposób, w jaki badacze do niego dotarli – testując i weryfikując przewidywania teoretyczne na podstawie wyników eksperymentalnych i odwrotnie, w długim i krętym procesie, który trwał prawie dwie dekady od początku do końca.

„Wszyscy myśleli o tym problemie od ponad 200 lat, więc decyzja o jego podjęciu była dla mnie wystarczającym wyzwaniem” Baines mówi. „Siedemnaście lat później jestem wdzięczny, że prawdopodobnie znalazłem i zademonstrowałem rozwiązanie”.

Wyszukiwanie zostało opublikowane w Angewandte Chemie International Edition.