Na 200 jaar is mogelijk een fundamentele puzzel in de fysische chemie opgelost: ScienceAlert

De vraag hoe nauwkeurig protonen door water in een elektrisch veld bewegen, fascineert wetenschappers al eeuwenlang. Nu, meer dan 200 jaar na het laatste inzicht in het fenomeen, hebben wetenschappers enige duidelijkheid.

In 1806 bracht Theodor Grottos een hypothese naar voren die bekend staat als: Grotten mechanisme Voor “protonsprong”, over hoe lading door een oplossing van water stroomt.

Terwijl de Grottos-hypothese voor zijn tijd zeer vooruitstrevend was – eerder komend? protonenof zelfs de feitelijke structuur van water, was zelfs bekend – moderne onderzoekers weten al lang dat het geen volledig begrip gaf van wat er op moleculair niveau gebeurde.

De nieuwste bevindingen over dit onderwerp hebben mogelijk het mysterie ontgrendeld door de elektronische structuren van natte protonen op te lossen die al zo lang ongrijpbaar zijn.

De resultaten suggereren dat de protonen door het water bewegen in “treinen” van drie watermoleculen, met “sporen” die voor de trein zijn gebouwd terwijl deze voortbeweegt en naar boven trekt zodra deze is gepasseerd.

Deze lus kan oneindig doorgaan om protonen door het water te verplaatsen. Hoewel het idee al eerder is voorgesteld, identificeert de nieuwe studie een andere moleculaire structuur die het beste past bij de door Grotthuss voorgestelde oplossing, aldus de auteurs van de studie.

“Discussies over het Grottos-mechanisme en de aard van de oplosbaarheid van het proton in water zijn geïntensiveerd, omdat dit een van de meest fundamentele uitdagingen in de chemie is,” Chemicus Ehud Pines zegt: van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev in Israël.

De nieuwe studie is overtuigend omdat het een theoretische benadering combineert met fysieke experimenten Mogelijk gemaakt door recente technologische vooruitgang. Onderzoekers gebruikten Röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) om te observeren hoe protonladingen elektronen in afzonderlijke zuurstofatomen in water beïnvloeden.

Zoals verwacht was het effect groter op drie watermoleculen, zij het in verschillende mate op elk afzonderlijk molecuul binnen het drievoudige blok. De onderzoekers vonden groepen van drie moleculen die ketens vormen met het proton.

De onderzoekers combineerden ook chemische simulaties en berekeningen op kwantumniveau om de interacties tussen protonen en naburige watermoleculen te bepalen terwijl de protonen door de vloeistof bewogen.

“Het begrijpen van dit mechanisme is pure wetenschap, het verleggen van de grenzen van onze kennis en het veranderen van een van onze basisconcepten voor een van de belangrijkste mechanismen van massatransport en scheepvaart in de natuur”, Baines zegt:.

Deze ontdekking speelt een grote rol Andere chemische processeninclusief fotosynthese, celademhaling en energieoverdracht in waterstofbrandstofcellen.

Niet alleen de opmerkelijke oplossing, maar ook hoe de onderzoekers daar kwamen – het testen en valideren van theoretische voorspellingen tegen experimentele resultaten, en vice versa, in een lang en kronkelig proces dat bijna twee decennia duurde van begin tot eind.

“Iedereen heeft meer dan 200 jaar over dit probleem nagedacht, dus het was uitdagend genoeg voor mij om te beslissen om het op te pakken,” Baines zegt:. “Zeventien jaar later ben ik dankbaar dat ik de oplossing waarschijnlijk heb gevonden en gedemonstreerd.”

De zoekopdracht is gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie.