Naukowcy po raz pierwszy zbadali działanie dwóch różnych form woda (orto- i para-) zachowują się inaczej podczas reakcji chemicznych.
Woda jest jednostką chemiczną, cząsteczką, w której pojedynczy tlen atom jest połączony z dwoma atomami wodoru (H2O). Woda występuje w postaci cieczy, ciała stałego (lód) i gazu (opary). Należy do nielicznych substancji chemicznych, które nie zawierają węgiel i nadal może być płynny w temperaturze pokojowej (około 20 stopni). Woda jest wszechobecne i ważne dla życia. Na poziomie molekularnym dobrze wiadomo, że codziennie woda występuje w dwóch różnych formach, lecz informacje te nie są powszechnie znane. Te dwie formy woda nazywane są izomerami i określane są jako orto- lub para- woda. Główna różnica między tymi formami jest bardzo subtelna i polega po prostu na względnej orientacji spinów jądrowych dwóch atomów wodoru, które są ustawione w tym samym lub przeciwnym kierunku, stąd ich nazwy. Ten spin atomów wodoru wynika z fizyki atomowej, chociaż zjawisko to nie jest jeszcze w pełni poznane. Te dwie formy mają identyczne właściwości fizyczne i do tej pory uważano, że powinny one mieć także identyczne właściwości chemiczne.
W ostatnim badaniu opublikowanym w Natura Communications, naukowcy z Uniwersytetu w Bazylei w Hamburgu po raz pierwszy zbadali różnicę w reaktywności chemicznej tych dwóch form substancji woda i udowodnili, że formy orto i para reagują bardzo różnie. Reaktywność chemiczna oznacza sposób lub zdolność, dzięki której cząsteczka ulega reakcji chemicznej. Badanie polegało na oddzieleniu woda na dwie formy izomeryczne (orto- i para-) przy użyciu deflektora elektrostatycznego poprzez zaangażowanie pól elektrycznych. Ponieważ oba te izomery są praktycznie takie same i mają identyczne właściwości fizyczne, proces rozdzielania jest złożony i wymagający. Ta grupa badaczy dokonała separacji, stosując metodę opartą na polach elektrycznych opracowaną przez nich dla Free-Electron Laser Science. Deflektor wprowadza pole elektryczne do wiązki rozpylonej wody. Ponieważ istnieje zasadnicza różnica w spinie jądrowym obu izomerów, ma to niewielki wpływ na sposób, w jaki atomy oddziałują z tym polem elektrycznym. Dlatego też, gdy woda przepływa przez deflektor, zaczyna się rozdzielać na dwie formy: orto- i para-.
Naukowcy wykazali, że para- woda reaguje około 25 procent szybciej niż orto-woda i jest w stanie przyciągać a reakcja partnerem mocniej. Można to zdecydowanie wyjaśnić różnicą spinu jądrowego, która wpływa na rotację cząsteczek wody. Ponadto pole elektryczne parawody jest w stanie szybciej przyciągać jony. Następnie grupa wykonała symulacje komputerowe cząsteczek wody, aby potwierdzić swoje odkrycia. Wszystkie eksperymenty przeprowadzono z cząsteczkami w bardzo niskich temperaturach, prawie -273 stopni Celsjusza. Jest to ważny czynnik, jak wyjaśniają autorzy, że tylko w takich warunkach poszczególne stany kwantowe i zawartość energii molekuł mogą być dobrze zdefiniowane i lepiej kontrolowane. Co oznacza, że cząsteczka wody stabilizuje się w jednej z dwóch form, a różnice między nimi stają się oczywiste i wyraźne. W ten sposób badanie reakcji chemicznych może następnie ujawnić podstawowe mechanizmy i dynamikę prowadzące do lepszego zrozumienia. Jednak praktyczne wykorzystanie tego badania może nie być w tej chwili zbyt wysokie.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Kilaj A i wsp. 2018. Obserwacja różnych reaktywności para i orto-wody wobec uwięzionych jonów diazenylium. Nature Communications. 9 ust. 1. https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
