Спустя 200 лет фундаментальная загадка физической химии могла быть решена: ScienceAlert

Вопрос о том, насколько точно протоны движутся в воде в электрическом поле, веками волновал ученых. Теперь, спустя более 200 лет после последнего понимания этого явления, у ученых появилась некоторая ясность.

В 1806 году Теодор Гроттос выдвинул гипотезу, известную как Механизм гротов Для «скачка протона» о том, как заряд течет через раствор воды.

Принимая во внимание, что гипотеза Гротов была очень прогрессивной для своего времени мыслью, предшествовавшей протоныили даже фактическая структура воды, была даже известна — современным исследователям давно известно, что она не давала полного понимания того, что происходило на молекулярном уровне.

Последние открытия в этой области, возможно, раскрыли тайну, раскрыв электронные структуры протонов воды, которые долгое время оставались неуловимыми.

Результаты показывают, что протоны движутся через воду в «поездах» из трех молекул воды, при этом «дорожки» строятся перед поездом по мере его продвижения и тянутся вверх после его прохождения.

Эта петля может продолжаться бесконечно, чтобы перемещать протоны в воде. Хотя эта идея была предложена ранее, новое исследование определяет другую молекулярную структуру, которая, по словам авторов исследования, лучше всего соответствует предложенному Гротами решению.

«Дискуссии о механизме Гротов и природе растворимости протона в воде разгорелись, потому что это одна из самых фундаментальных проблем в химии», Химик Эхуд Пайнс говорит: из Университета Бен-Гуриона в Негеве в Израиле.

Новое исследование убедительно, потому что оно сочетает в себе теоретический подход с физическими экспериментами. Это стало возможным благодаря современным технологическим достижениям. Исследователи использовали Рентгеновская абсорбционная спектроскопия (XAS), чтобы наблюдать, как заряды протонов влияют на электроны в отдельных атомах кислорода в воде.

Как и ожидалось, эффект был сильнее на трех молекулах воды, хотя и в разной степени на каждой отдельной молекуле. внутри тройного блока. Исследователи обнаружили группы из трех молекул, которые образуют цепочки с протоном.

Исследователи также объединили химическое моделирование на квантовом уровне и расчеты, чтобы определить взаимодействия между протонами и соседними молекулами воды, когда протоны движутся через жидкость.

«Понимание этого механизма — чистая наука, раздвигающая границы наших знаний и меняющая одну из наших основных концепций на один из самых важных механизмов массового транспорта и судоходства в природе». Бейнс говорит.

Это открытие играет большую роль Другие химические процессывключая фотосинтез, клеточное дыхание и перенос энергии в водородных топливных элементах.

Не только замечательное решение, но и то, как исследователи пришли к нему — проверка и проверка теоретических предсказаний экспериментальными результатами, и наоборот, в ходе долгого и извилистого процесса, который занял почти два десятилетия от начала до конца.

«Все думали об этой проблеме более 200 лет, поэтому мне было достаточно сложно решиться взяться за нее» Бейнс говорит. «Семнадцать лет спустя я благодарен за то, что, вероятно, нашел и продемонстрировал решение».

Поиск был опубликован в Международное издание Angewandte Chemie.