November 28, 2022

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Nach 200 Jahren könnte ein grundlegendes Rätsel der physikalischen Chemie gelöst worden sein: ScienceAlert

Nach 200 Jahren könnte ein grundlegendes Rätsel der physikalischen Chemie gelöst worden sein: ScienceAlert

Die Frage, wie genau sich Protonen in einem elektrischen Feld durch Wasser bewegen, fasziniert Wissenschaftler seit Jahrhunderten. Jetzt, mehr als 200 Jahre nach dem letzten Einblick in das Phänomen, haben Wissenschaftler Klarheit.

1806 stellte Theodor Grottos eine Hypothese auf, die als bekannt ist Grottenmechanismus Zum „Protonensprung“, wie Ladung durch eine Wasserlösung fließt.

Wohingegen die Grotten-Hypothese für ihre Zeit sehr fortschrittliches Denken war – sie kam früher Protonenoder sogar die tatsächliche Struktur von Wasser, war sogar bekannt – moderne Forscher wissen seit langem, dass dies kein vollständiges Verständnis dessen liefert, was auf molekularer Ebene passiert ist.

Die neuesten Erkenntnisse zu diesem Thema könnten das Geheimnis gelüftet haben, indem sie die elektronischen Strukturen nasser Protonen gelöst haben, die so lange schwer zu fassen waren.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Protonen in „Zügen“ aus drei Wassermolekülen durch das Wasser bewegen, wobei „Spuren“ vor dem Zug gebaut werden, wenn er sich fortbewegt und nach oben zieht, sobald er vorbei ist.

Diese Schleife kann unbegrenzt fortgesetzt werden, um Protonen durch das Wasser zu bewegen. Während die Idee bereits früher vorgeschlagen wurde, identifiziert die neue Studie eine andere Molekülstruktur, die laut den Autoren der Studie am besten zu der von Grotthuss vorgeschlagenen Lösung passt.

„Die Diskussionen über den Grottos-Mechanismus und die Natur der Wasserlöslichkeit des Protons haben sich intensiviert, da dies eine der grundlegendsten Herausforderungen in der Chemie ist“, Chemiker Ehud Pines sagt: von der Ben-Gurion-Universität des Negev in Israel.

Die neue Studie ist überzeugend, weil sie einen theoretischen Ansatz mit physikalischen Experimenten kombiniert Ermöglicht durch die jüngsten technologischen Fortschritte. Forscher verwendet Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), um zu beobachten, wie Protonenladungen Elektronen in einzelnen Sauerstoffatomen in Wasser beeinflussen.

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Wie erwartet war der Effekt bei drei Wassermolekülen größer, wenn auch unterschiedlich stark bei jedem einzelnen Molekül innerhalb des Dreierblocks. Die Forscher fanden Gruppen von drei Molekülen, die mit dem Proton Ketten bilden.

Die Forscher kombinierten auch chemische Simulationen und Berechnungen auf Quantenebene, um die Wechselwirkungen zwischen Protonen und benachbarten Wassermolekülen zu bestimmen, während sich die Protonen durch die Flüssigkeit bewegten.

„Das Verständnis dieses Mechanismus ist reine Wissenschaft, die die Grenzen unseres Wissens erweitert und eines unserer Grundkonzepte für einen der wichtigsten Mechanismen des Massentransports und der Schifffahrt in der Natur verändert.“ Baines sagt.

Diese Entdeckung spielt eine große Rolle Andere chemische Prozesseeinschließlich Photosynthese, Zellatmung und Energieübertragung in Wasserstoff-Brennstoffzellen.

Nicht nur die bemerkenswerte Lösung, sondern auch, wie die Forscher dorthin gelangten – das Testen und Validieren theoretischer Vorhersagen anhand experimenteller Ergebnisse und umgekehrt, in einem langen und mühsamen Prozess, der von Anfang bis Ende fast zwei Jahrzehnte dauerte.

„Jeder hat über 200 Jahre lang über dieses Problem nachgedacht, daher war es für mich herausfordernd genug, mich dafür zu entscheiden, es anzugehen.“ Baines sagt. „Siebzehn Jahre später bin ich dankbar, dass ich wahrscheinlich die Lösung gefunden und demonstriert habe.“

Die Suche wurde veröffentlicht in Internationale Ausgabe der Angewandten Chemie.