A kutatók először vizsgálták, hogyan lehet két különböző formája víz (orto- és para-) eltérően viselkednek kémiai reakciók során.
Víz egy kémiai entitás, olyan molekula, amelyben egyetlen oxigén atom két hidrogénatomhoz (H2O) kapcsolódik. Víz folyékony, szilárd (jég) és gáz (gőzök) formában létezik. Ez azon kevés vegyi anyagok közé tartozik, amelyek nem tartalmaznak szén és szobahőmérsékleten (kb. 20 fok) még folyékony lehet. Víz mindenütt jelen van és fontos az élethez. Molekuláris szinten jól ismert, hogy mindennapi víz két különböző formában létezik, de ez az információ nem közismert. Ez a két formája víz izomereknek nevezik, és orto- vagy para- víz. A fő különbség ezek között a formák között nagyon finom, és egyszerűen a két hidrogénatom nukleáris spinjének relatív orientációja, amelyek azonos vagy ellentétes irányban helyezkednek el, innen ered a nevük is. A hidrogénatomok ilyen forgása az atomfizikának köszönhető, bár ez a jelenség még nem teljesen ismert. Ez a két forma azonos fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, és eddig úgy gondolták, hogy ezután azonos kémiai tulajdonságokkal kell rendelkezniük.
Egy nemrégiben megjelent tanulmányban Természet A hamburgi Bázeli Egyetem kutatói először vizsgálták meg e két forma kémiai reakcióképességének különbségét. víz és bebizonyították, hogy az orto- és paraformák nagyon eltérően reagálnak. A kémiai reakcióképesség azt a módot vagy képességet jelenti, amellyel egy molekula kémiai reakción megy keresztül. A tanulmány az elválasztást foglalta magában víz két izomer formájába (orto- és para-) elektrosztatikus terelő segítségével elektromos terek bevonásával. Mivel ez a két izomer gyakorlatilag azonos és azonos fizikai tulajdonságokkal rendelkezik, ez az elválasztási folyamat bonyolult és kihívást jelent. A szétválasztást ez a kutatócsoport az általuk a szabadelektron lézertudomány számára kifejlesztett elektromos mezőkre épülő módszerrel valósította meg. A terelő elektromos mezőt vezet be egy porlasztott vízsugárba. Mivel a két izomer nukleáris spinjében döntő különbség van, ez némileg befolyásolja azt a módot, ahogyan az atomok kölcsönhatásba lépnek ezzel az elektromos mezővel. Ezért, ahogy a víz áthalad a terelőn, elkezd szétválni két formája orto- és para-.
A kutatók kimutatták, hogy a para- víz körülbelül 25 százalékkal gyorsabban reagál, mint az orto-víz, és képes vonzani a reakció erősebb partner. Ez egyértelműen a mag spinjének különbségével magyarázható, amely befolyásolja a vízmolekulák forgását. Ezenkívül a paravíz elektromos tere gyorsabban képes vonzani az ionokat. A csoport továbbá számítógépes szimulációkat végzett vízmolekulákkal, hogy megerősítse eredményeiket. Minden kísérletet molekulákkal végeztek nagyon alacsony hőmérsékleten, közel -273 Celsius fokon. Ez a szerzők magyarázata szerint fontos tényező, hogy csak ilyen körülmények között lehet jól meghatározni és jobban szabályozni a molekulák egyes kvantumállapotait és energiatartalmát. Ez azt jelenti, hogy a vízmolekula a két formája bármelyikével stabilizálódik, és ezek különbségei nyilvánvalóvá és világossá válnak. Így a kémiai reakciók vizsgálata feltárhatja a mögöttes mechanizmusokat és dinamikát, ami jobb megértéshez vezet. Ennek a tanulmánynak a gyakorlati haszna azonban jelenleg még nem túl magas.
***
{Az eredeti kutatási cikket a hivatkozott forrás(ok) listájában lent található DOI linkre kattintva olvashatja el}
Forrás (ok)
Kilaj A et al 2018. Para- és orto-víz különböző reaktivitásának megfigyelése csapdába esett diazenilium-ionokkal szemben. Nature Communications. 9. (1) bekezdése alapján. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
