Researchers have investigated for the first time how two different forms of víz (ortho- and para-) behave differently when undergoing chemical reactions.
Víz is a chemical entity, a molecule in which a single oxigén atom is linked to two hydrogen atoms (H2O). Víz exists as liquid, solid (ice) and gas (vapours). It is among the few chemicals which do not contain szén and still can be liquid at room temperature (about 20 degrees). Víz is ubiquitous and important for life. At the molecular level it is well known that everyday víz exists in two different forms but this information is not of common knowledge. These two forms of víz are called isomers and are referred to as ortho- or para- víz. The main difference between these forms is very subtle and is simply the relative orientation of the nuclear spins of the two hydrogen atoms which are aligned in either same or opposite direction, hence their names. This spin of hydrogen atoms is due to atomic physics though this phenomenon is not yet fully understood. These two forms have identical physical properties and it has been believed so far that they should also then have identical chemical properties.
Egy nemrégiben megjelent tanulmányban Természet Communications, researchers from the University of Basel, Hamburg have for the first time investigated the difference in chemical reactivity of these two forms of víz and have proven that ortho- and para- forms react very differently. Chemical reactivity means the way or the ability by which a molecule undergoes a chemical reaction. The study involved separation of víz into its two isomeric forms (ortho- and para-) using an electrostatic deflector by involving electric fields. Since both these isomers are practically the same and have identical physical properties, this separation process is complex and challenging. The separation was achieved by this group of researchers by using a method based of electric fields developed by them for Free-Electron Laser Science. The deflector introduces an electric field to a beam of atomized water. Since there is crucial difference in nuclear spin in the two isomers, this slightly impacts the way by which atoms interact with this electric field. Therefore, as the water travels through the deflector it starts separating into its two forms ortho- and para-.
Researchers have demonstrated that para- víz reacts around 25 percent faster than ortho-water and its able to attract to 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
