Un mister-cheie al chimiei fizice ar putea fi rezolvat după 200 de ani

Întrebarea cu privire la modul precis în care protonii se deplasează prin apă într-un câmp electric îi fascinează pe oamenii de știință de secole. Acum, la mai bine de 200 de ani de la ultima descoperire majoră a fenomenului, oamenii de știință au o oarecare claritate.

În 1806, Theodor Grotthuss a avansat o ipoteză, care a ajuns să fie cunoscută sub numele de mecanismul Grotthuss pentru „saltul protonilor”, cu privire la modul în care o sarcină ar putea curge printr-o soluție de apă.

În timp ce ipoteza lui Grotthuss a fost foarte avangardistă pentru epoca sa – venind înainte ca protonii sau chiar structura reală a apei să fie cunoscută – cercetătorii din zilele noastre știu de mult timp că aceasta nu a oferit o înțelegere completă a ceea ce s-a întâmplat la nivel molecular.

Cele mai recente descoperiri pe această temă ar fi putut desluși misterul prin rezolvarea structurilor electronice ale protonilor hidratați care au rămas atât de mult timp evazive.

Descoperirile sugerează că protonii se deplasează prin apă în „trenuri” de trei molecule de apă, cu „șine” construite în fața trenului pe măsură ce acesta se deplasează și trase în sus după ce a trecut.

„Înțelegerea acestui mecanism este știință pură”

Această buclă poate continua la nesfârșit pentru a transporta protoni prin apă. Deși ideea a mai fost sugerată anterior, noul studiu atribuie o structură moleculară diferită care se potrivește mai bine soluției propuse de Grotthuss, potrivit autorilor studiului.

„Dezbaterile cu privire la mecanismul Grotthuss și la natura solvării protonilor în apă s-au încins, deoarece aceasta este una dintre cele mai fundamentale provocări din chimie”, spune chimistul Ehud Pines de la Universitatea Ben-Gurion din Negev din Israel.

Noul studiu este convingător, deoarece combină o abordare teoretică cu experimente fizice făcute posibile de progresele tehnologice recente. Cercetătorii au folosit un experiment de spectroscopie de absorbție cu raze X (XAS) pentru a monitoriza modul în care sarcinile protonice au afectat electronii din atomii de oxigen individuali ai apei.

Așa cum s-a prezis, impactul a fost cel mai mare asupra a trei molecule de apă, deși în proporții diferite asupra fiecărei molecule individuale. Cercetătorii au constatat că grupurile de trei molecule formează lanțuri cu protonul, scrie ScienceAlert.

Descoperirea joacă un rol în multe alte procese chimice

Cercetătorii au încorporat, de asemenea, simulări chimice și calcule la nivel cuantic pentru a determina interacțiunile dintre protoni și moleculele de apă vecine, pe măsură ce protonii se deplasează prin lichid.

„Înțelegerea acestui mecanism este știință pură, împingând limitele cunoștințelor noastre și schimbând una dintre înțelegerile noastre fundamentale ale unuia dintre cele mai importante mecanisme de transport de masă și sarcină din natură”, spune Pines.

Descoperirea joacă un rol în multe alte procese chimice, inclusiv fotosinteza, respirația celulară și transportul de energie în celulele de combustibil pe bază de hidrogen.

Cercetarea a fost publicată în Angewandte Chemie International Edition.

Vă recomandăm să mai citiți și:

Cercetătorii au descoperit că plantele încalcă regulile biochimiei și „iau decizii în secret”

Cât de mult afectează alimentele ultra-procesate sănătatea? Mai multă chimie decât mâncare

Doi profesori de chimie, din SUA, produceau metamfetamină într-un centru ştiinţific al universităţii

Explozie uriaşă de ”vată de zahăr” într-un laborator de chimie