Pētnieki pirmo reizi ir pētījuši, kā divas dažādas formas ūdens (orto- un para-) ķīmiskās reakcijas laikā uzvedas atšķirīgi.
Ūdens ir ķīmiska vienība, molekula, kurā ir viena skābeklis atoms ir saistīts ar diviem ūdeņraža atomiem (H2O). Ūdens pastāv kā šķidrums, ciets (ledus) un gāze (tvaiki). Tā ir viena no nedaudzajām ķīmiskajām vielām, kuras nesatur ogleklis un joprojām var būt šķidrs istabas temperatūrā (apmēram 20 grādi). Ūdens ir visuresošs un dzīvībai svarīgs. Molekulārā līmenī ir labi zināms, ka ikdienā ūdens pastāv divās dažādās formās, taču šī informācija nav vispārzināma. Šīs divas formas ūdens tiek saukti par izomēriem un tiek saukti par orto- vai para- ūdens. Galvenā atšķirība starp šīm formām ir ļoti smalka, un tā ir vienkārši divu ūdeņraža atomu kodola spinu relatīvā orientācija, kas ir izlīdzināti vienā vai pretējā virzienā, tāpēc to nosaukumi. Šis ūdeņraža atomu spins ir saistīts ar atomu fiziku, lai gan šī parādība vēl nav pilnībā izprasta. Šīm divām formām ir identiskas fizikālās īpašības, un līdz šim tika uzskatīts, ka arī tad tām vajadzētu būt identiskām ķīmiskajām īpašībām.
Nesenā pētījumā, kas publicēts daba Pētnieki no Bāzeles universitātes Hamburgā pirmo reizi ir izpētījuši šo divu veidu ķīmiskās reaktivitātes atšķirības. ūdens un ir pierādījuši, ka orto- un paraformas reaģē ļoti atšķirīgi. Ķīmiskā reaģētspēja ir veids vai spēja, kādā molekula tiek pakļauta ķīmiskai reakcijai. Pētījums ietvēra atdalīšanu no ūdens tās divās izomēru formās (orto- un para-), izmantojot elektrostatisko deflektoru, iesaistot elektriskos laukus. Tā kā abi šie izomēri ir praktiski vienādi un tiem ir identiskas fizikālās īpašības, šis atdalīšanas process ir sarežģīts un izaicinošs. Šī pētnieku grupa panāca atdalīšanu, izmantojot metodi, kuras pamatā ir elektriskie lauki, ko viņi izstrādājuši brīvo elektronu lāzerzinātnei. Deflektors ievieš elektrisko lauku atomizēta ūdens starā. Tā kā abos izomēros ir būtiska atšķirība kodola spinā, tas nedaudz ietekmē veidu, kādā atomi mijiedarbojas ar šo elektrisko lauku. Tāpēc, ūdenim ejot cauri deflektoram, tas sāk sadalīties divās formās – orto- un para-.
Pētnieki ir pierādījuši, ka para. ūdens reaģē par aptuveni 25 procentiem ātrāk nekā ortoūdens un spēj piesaistīt a reakcija partneris spēcīgāk. Tas noteikti ir izskaidrojams ar atšķirību kodola spinā, kas ietekmē ūdens molekulu rotāciju. Arī paraūdens elektriskais lauks spēj piesaistīt jonus ātrāk. Grupa turpināja veikt ūdens molekulu datorsimulācijas, lai apstiprinātu savus atklājumus. Visi eksperimenti tika veikti ar molekulām ļoti zemas temperatūras iestatījumos gandrīz -273 grādi pēc Celsija. Tas ir svarīgs faktors, kā skaidro autori, ka tikai šādos apstākļos var labi definēt un labāk kontrolēt molekulu individuālos kvantu stāvokļus un enerģijas saturu. Tas nozīmē, ka ūdens molekula stabilizējas vienā no divām formām, un to atšķirības kļūst acīmredzamas un skaidras. Tādējādi ķīmisko reakciju izpēte var atklāt pamatā esošos mehānismus un dinamiku, kas ļauj labāk izprast. Tomēr šī pētījuma praktiskā izmantošana pašlaik var nebūt ļoti augsta.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
Kilaj A et al 2018. Para un orto-ūdens dažādu reaktivitātes novērošana pret noķertajiem diazenilija joniem. Nature Communications. 9 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
