|
Сотрудники берлинского Института нелинейной оптики и высокоскоростной спектроскопии им. Макса Борна (MBI) впервые зафиксировали последовательные стадии одного из самых фундаментальных движений в природе. Они проследили «прыжки» протона (иона водорода H+) от кислоты к основанию по цепочке из молекул воды в ходе реакции нейтрализации.
Для этого доктору Эрику Нибберингу (Erik Nibbering) и его коллегам, среди которых египетский аспирант Омар Мохаммед (Omar Mohammed) и группа ученых из Университета им. Бен Гуриона (Негев, Израиль), пришлось разработать технологию, позволяющую при помощи сверхкоротких лазерных вспышек отслеживать ход реакции с шагом всего в 150 фемтосекунд. (Для сравнения: луч света, долетающий за 1 секунду от Земли до Луны, за 100 фемтосекунд проходит расстояние, равное толщине человеческого волоса.) Но и при наличии такой технологии реакцию пришлось специально замедлять — иначе удавалось зафиксировать только ее начало и конец.
Передача ионов водорода (протонов) в воде происходит очень эффективно, и ученые давно задумывались о ее механизмах. Первые теоретические соображения по этому поводу были высказаны ровно 200 лет назад немецким химиком Теодором фон Гротгусом, работавшим в Литве. Признание пришло к нему не сразу, но вот уже ровно 100 лет описанный им принцип перемещения ионов с опорой на молекулы воды называют «механизмом Гротгуса».«Вообразите, что вам надо укрепить дамбу мешками с песком, — поясняет Нибберинг. — Очевидно, что люди, выстроенные в цепочку, доставят мешки к дамбе гораздо эффективнее, чем если каждый будет носить мешки по отдельности. Так вот, скачкообразные движения протонов по цепочке из молекул воды подобны такой передаче мешков от человека к человеку».
|
Протон не может свободно перемещаться в воде: в растворе он связывается с молекулой воды, образуя ион гидрония —
|
Проведенный в Германии эксперимент, как сообщается в пресс-релизе MBI, подтвердил то, что до сих пор было лишь теоретическими построениями, показав, что протоны действительно перемещаются между кислотой и основанием по «мосту» из молекул воды. Результаты исследования открывают дорогу к более глубокому пониманию фундаментальных химических и биологических процессов (например, переноса протонов через биомембраны) и имеют потенциал практического применения (например, в топливных элементах).
Работа Нибберинга и его коллег Sequential Proton Transfer Through Water Bridges in Acid-Base Reactions опубликована в журнале Science (vol. 310).
