Forscher haben erstmals untersucht, wie sich zwei verschiedene Formen von Wasser (ortho- und para-) bei chemischen Reaktionen unterschiedlich verhalten.
Wasser ist eine chemische Einheit, ein Molekül, in dem ein einzelnes Sauerstoff Atom ist an zwei Wasserstoffatome (H2O) gebunden. Wasser existiert als Flüssigkeit, Feststoff (Eis) und Gas (Dämpfe). Es gehört zu den wenigen Chemikalien, die es nicht enthalten Kohlenstoff und kann bei Raumtemperatur (ca. 20 Grad) noch flüssig sein. Wasser ist allgegenwärtig und wichtig für das Leben. Auf molekularer Ebene ist bekannt, dass alltägliches Wasser in zwei verschiedenen Formen existiert, aber diese Informationen sind nicht allgemein bekannt. Diese beiden Wasserformen werden Isomere genannt und als ortho- oder para-Wasser bezeichnet. Der Hauptunterschied zwischen diesen Formen ist sehr subtil und liegt einfach in der relativen Ausrichtung der Kernspins der beiden Wasserstoffatome, die entweder in die gleiche oder in die entgegengesetzte Richtung ausgerichtet sind, daher ihre Namen. Dieser Spin von Wasserstoffatomen ist auf die Atomphysik zurückzuführen, obwohl dieses Phänomen noch nicht vollständig verstanden ist. Diese beiden Formen haben identische physikalische Eigenschaften und es wurde bisher angenommen, dass sie dann auch identische chemische Eigenschaften haben sollten.
In einer kürzlich veröffentlichten Studie in Natur Forscher der Universität Basel und Hamburg haben erstmals den Unterschied in der chemischen Reaktivität dieser beiden Wasserformen untersucht und nachgewiesen, dass Ortho- und Paraformen sehr unterschiedlich reagieren. Unter chemischer Reaktivität versteht man die Art und Weise oder die Fähigkeit, mit der ein Molekül eine chemische Reaktion eingeht. Die Studie umfasste die Trennung von Wasser in seine beiden isomeren Formen (ortho- und para-) mithilfe eines elektrostatischen Deflektors unter Einbeziehung elektrischer Felder. Da diese beiden Isomere praktisch gleich sind und identische physikalische Eigenschaften aufweisen, ist dieser Trennprozess komplex und herausfordernd. Die Trennung wurde von dieser Forschergruppe mithilfe einer Methode erreicht, die auf elektrischen Feldern basiert und von ihnen für die Freie-Elektronen-Laserwissenschaft entwickelt wurde. Der Deflektor erzeugt ein elektrisches Feld in einem Strahl zerstäubten Wassers. Da es einen entscheidenden Unterschied im Kernspin der beiden Isomere gibt, hat dies geringfügige Auswirkungen auf die Art und Weise, wie Atome mit diesem elektrischen Feld interagieren. Wenn das Wasser durch den Deflektor fließt, beginnt es sich daher in seine beiden Formen Ortho- und Para- aufzuteilen.
Forscher haben gezeigt, dass Para-Wasser rund 25 Prozent schneller reagiert als Ortho-Wasser und es sich anziehen kann Reaktion Partner stärker. Dies erklärt sich definitiv durch den Unterschied im Kernspin, der die Rotation der Wassermoleküle beeinflusst. Außerdem kann das elektrische Feld des Parawassers die Ionen schneller anziehen. Die Gruppe führte außerdem Computersimulationen von Wassermolekülen durch, um ihre Ergebnisse zu untermauern. Alle Experimente wurden mit Molekülen bei sehr niedrigen Temperatureinstellungen von fast -273 Grad Celsius durchgeführt. Dies ist ein wichtiger Faktor, wie die Autoren erklären, dass nur unter solchen Bedingungen die einzelnen Quantenzustände und der Energiegehalt von Molekülen gut definiert und besser kontrolliert werden können. Das bedeutet, dass sich das Wassermolekül in einer seiner beiden Formen stabilisiert und ihre Unterschiede offensichtlich und deutlich werden. Die Untersuchung chemischer Reaktionen kann daher zugrunde liegende Mechanismen und Dynamiken aufdecken, die zu einem besseren Verständnis führen. Der praktische Nutzen dieser Studie dürfte derzeit jedoch nicht sehr hoch sein.
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Quelle (n)
Kilaj A et al 2018. Beobachtung verschiedener Reaktivitäten von para- und ortho-Wasser gegenüber eingefangenen Diazenyliumionen. Nature Communications veröffentlicht . 9(1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
