Спустя 200 лет ключевая загадка физической химии может быть решена
Вопрос о том, как именно протоны движутся в воде в электрическом поле, волновал ученых на протяжении веков. Теперь, более чем через 200 лет после последнего серьезного исследования этого явления, у ученых появилась некоторая ясность.
В 1806 году Теодор Гротгус выдвинул гипотезу, которая стала известна как механизм Гротгуса для «перескока протонов». ‘, о том, как заряд может протекать через раствор воды.
Хотя гипотеза Гроттусса была очень дальновидной для своего времени — она появилась еще до того, как протоны или даже реальная структура воды были известны — современным исследователям давно известно, что это не дает полного понимания того, что произошло на молекулярном уровне.
Последние открытия по этой теме, возможно, разгадали тайну, разрешив электронные структуры гидратированных протоны, которые так долго оставались неуловимыми.
Выводы показывают, что протоны движутся в воде в «поездах» из трех молекул воды, при этом «гусеницы» строятся перед поездом, когда он движется, и поднимаются один раз. это пройдено.
Эта петля может продолжаться бесконечно, чтобы транспортировать протоны t через воду. Хотя эта идея была предложена ранее, новое исследование определяет другую молекулярную структуру, которая, по словам авторов исследования, лучше соответствует решению, предложенному Гроттуссом.
«Споры о механизме Гроттусса и природе Сольватация протонов в воде нагрелась, так как это одна из самых основных проблем в химии», — говорит химик Эхуд Пайнс из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле.
Новое исследование убедительно, потому что он сочетает в себе теоретический подход с физическими экспериментами, которые стали возможными благодаря последним технологическим достижениям. Исследователи использовали эксперимент с рентгеновской абсорбционной спектроскопией (XAS), чтобы проследить, как заряды протонов влияют на электроны в отдельных атомах кислорода в воде.
Как и предсказывалось, наибольшее воздействие было на три молекулы воды, хотя и на разные экстенты каждой отдельной молекулы в пределах тримерного кластера. Исследователи обнаружили группы из трех молекул, образующих цепочки с протоном.
Исследователи также включили химическое моделирование и расчеты на квантовом уровне, чтобы определить взаимодействия между протонами и соседними молекулами воды, когда протоны движутся в жидкости.
p>
«Понимание этого механизма — чистая наука, расширяющая границы наших знаний и изменяющая одно из наших фундаментальных представлений об одном из самых важных механизмов переноса массы и заряда в природе», — говорит Пайнс.
The Открытие играет роль во многих других химических процессах, включая фотосинтез, клеточное дыхание и транспорт энергии в водородных топливных элементах.
Примечательно не только решение, но и то, как исследователи смогли к нему прийти — тестирование и проверки теоретических предсказаний по сравнению с экспериментальными результатами, и наоборот, в ходе долгого извилистого процесса, который занял почти два десятилетия от начала до конца.
«Все думали об этой проблеме более 200 лет, так что это было для меня достаточным вызовом, чтобы принять решение», — говорит Пайнс. «Семнадцать лет спустя я рад, что нашел и продемонстрировал решение».
Исследование опубликовано в Angewandte Chemie International Edition.
