Forskare har för första gången undersökt hur två olika former av vatten (orto- och para-) beter sig olika när de genomgår kemiska reaktioner.
Vatten är en kemisk enhet, en molekyl där en enda syre atom är kopplad till två väteatomer (H2O). Vatten finns som vätska, fast (is) och gas (ångor). Det är bland de få kemikalier som inte innehåller kol och fortfarande kan vara flytande i rumstemperatur (cirka 20 grader). Vatten är allestädes närvarande och viktigt för livet. På molekylär nivå är det välkänt att varje dag vatten finns i två olika former men denna information är inte allmänt känt. Dessa två former av vatten kallas isomerer och kallas orto- eller para- vatten. Den huvudsakliga skillnaden mellan dessa former är mycket subtil och är helt enkelt den relativa orienteringen av kärnsnurrarna för de två väteatomerna som är inriktade i antingen samma eller motsatta riktning, därav deras namn. Denna spin av väteatomer beror på atomfysik även om detta fenomen ännu inte är helt förstått. Dessa två former har identiska fysikaliska egenskaper och man har hittills trott att de också då borde ha identiska kemiska egenskaper.
I en ny studie publicerad i Natur Communications, forskare från universitetet i Basel, Hamburg har för första gången undersökt skillnaden i kemisk reaktivitet hos dessa två former av vatten och har bevisat att orto- och para-former reagerar väldigt olika. Kemisk reaktivitet betyder sättet eller förmågan genom vilken en molekyl genomgår en kemisk reaktion. Studien innebar separation av vatten till sina två isomera former (orto- och para-) med hjälp av en elektrostatisk deflektor genom att involvera elektriska fält. Eftersom båda dessa isomerer är praktiskt taget samma och har identiska fysikaliska egenskaper, är denna separationsprocess komplex och utmanande. Separationen uppnåddes av denna grupp forskare genom att använda en metod baserad på elektriska fält utvecklad av dem för Free-Electron Laser Science. Deflektorn introducerar ett elektriskt fält till en stråle av finfördelat vatten. Eftersom det finns en avgörande skillnad i kärnspinn i de två isomererna, påverkar detta något sättet på vilket atomer interagerar med detta elektriska fält. Därför, när vattnet färdas genom deflektorn börjar det separeras i sina två former orto- och para-.
Forskare har visat att para- vatten reagerar cirka 25 procent snabbare än ortovatten och har förmåga att attrahera till en Reaktionen partner starkare. Detta förklaras definitivt av skillnaden i kärnspinnet som påverkar rotationen av vattenmolekylerna. Paravattens elektriska fält kan också attrahera jonerna snabbare. Gruppen utförde vidare datorsimuleringar av vattenmolekyler för att bekräfta deras resultat. Alla experiment gjordes med molekyler i mycket låga temperaturinställningar nästan -273 grader Celsius. Detta är en viktig faktor som förklaras av författarna att endast under sådana förhållanden kan de individuella kvanttillstånden och energiinnehållet i molekyler vara väl definierade och bättre kontrollerade. Vilket innebär att vattenmolekylen stabiliseras som endera av dess två former och deras skillnader blir uppenbara och tydliga. Att undersöka kemiska reaktioner kan alltså avslöja underliggande mekanismer och dynamik som leder till en bättre förståelse. Den praktiska användningen av denna studie kanske inte är särskilt hög vid denna tidpunkt.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Kilaj A et al 2018. Observation av olika reaktiviteter av para och orto-vatten mot fångade diazenyliumjoner. Nature Communications. 9 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
