Onderzoekers hebben voor het eerst onderzocht hoe twee verschillende vormen van water (ortho- en para-) gedragen zich anders bij het ondergaan van chemische reacties.
Water is een chemische entiteit, een molecuul waarin één zuurstof atoom is gekoppeld aan twee waterstofatomen (H2O). Water bestaat als vloeistof, vast (ijs) en gas (dampen). Het is een van de weinige chemicaliën die dit niet bevatten carbon en kan bij kamertemperatuur (ongeveer 20 graden) nog steeds vloeibaar zijn. Water is alomtegenwoordig en belangrijk voor het leven. Op moleculair niveau is het algemeen bekend dat dit elke dag gebeurt water bestaat in twee verschillende vormen, maar deze informatie is niet algemeen bekend. Deze twee vormen van water worden isomeren genoemd en worden ortho- of para- water. Het belangrijkste verschil tussen deze vormen is heel subtiel en is eenvoudigweg de relatieve oriëntatie van de kernspins van de twee waterstofatomen die in dezelfde of tegengestelde richting zijn uitgelijnd, vandaar hun namen. Deze spin van waterstofatomen is te wijten aan de atoomfysica, hoewel dit fenomeen nog niet volledig wordt begrepen. Deze twee vormen hebben identieke fysische eigenschappen en tot nu toe werd aangenomen dat ze dan ook identieke chemische eigenschappen zouden moeten hebben.
In een recent onderzoek gepubliceerd in NATUUR Communications hebben onderzoekers van de Universiteit van Basel, Hamburg voor het eerst het verschil in chemische reactiviteit van deze twee vormen van water en hebben bewezen dat ortho- en paravormen heel verschillend reageren. Chemische reactiviteit betekent de manier of het vermogen waarmee een molecuul een chemische reactie ondergaat. Het onderzoek omvatte de scheiding van water in zijn twee isomere vormen (ortho- en para-) met behulp van een elektrostatische deflector door elektrische velden te betrekken. Omdat beide isomeren vrijwel hetzelfde zijn en identieke fysische eigenschappen hebben, is dit scheidingsproces complex en uitdagend. De scheiding werd door deze groep onderzoekers bereikt door gebruik te maken van een methode gebaseerd op elektrische velden, ontwikkeld door hen voor Free-Electron Laser Science. De deflector introduceert een elektrisch veld in een straal verneveld water. Omdat er een cruciaal verschil is in de kernspin tussen de twee isomeren, heeft dit een kleine invloed op de manier waarop atomen met dit elektrische veld interageren. Daarom begint het water, terwijl het door de deflector beweegt, zich te scheiden in de twee vormen ortho- en para-.
Onderzoekers hebben aangetoond dat para- water reageert ongeveer 25 procent sneller dan ortho-water en is in staat zich aan te trekken reactie partner sterker. Dit wordt zeker verklaard door het verschil in de kernspin die de rotatie van de watermoleculen beïnvloedt. Ook kan het elektrische veld van parawater de ionen sneller aantrekken. De groep voerde verder computersimulaties van watermoleculen uit om hun bevindingen te bevestigen. Alle experimenten zijn gedaan met moleculen bij zeer lage temperaturen, bijna -273 graden Celsius. Dit is een belangrijke factor, zoals uitgelegd door de auteurs dat alleen onder dergelijke omstandigheden de individuele kwantumtoestanden en energie-inhoud van moleculen goed kunnen worden gedefinieerd en beter kunnen worden gecontroleerd. Wat betekent dat het watermolecuul zich stabiliseert als een van zijn twee vormen en dat hun verschillen duidelijk en duidelijk worden. Zo kan het onderzoeken van chemische reacties onderliggende mechanismen en dynamieken blootleggen die tot een beter begrip leiden. Het praktische nut van deze studie is op dit moment echter misschien niet erg groot.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Kilaj A et al 2018. Waarneming van verschillende reactiviteiten van para- en ortho-water naar ingesloten diazenyliumionen. Nature Communications. 9 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
