Forskere visualiserer direkte produkter af gensidig neutralisering af hydronium og hydroxid

Ved at bruge det unikke DESIREE-anlæg har forskere ved Stockholm Universitet og The Hebrew University of Jerusalem for første gang været i stand til direkte at visualisere de neutrale produkter af den gensidige neutralisering af hydronium og hydroxid og rapportere om tre forskellige produktkanaler:to kanaler blev tilskrevet en dominerende elektronoverførselsmekanisme, og en mindre kanal var forbundet med protonoverførsel.

To-stråle kollisionseksperimentet er et vigtigt skridt i retning af at forstå kvantedynamikken i denne fundamentale reaktion. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Science .

Den gensidige neutralisering (MN) af hydroniumkation, H₃ O ⁺ og hydroxidanionen, OH ^– at danne neutrale vandmolekyler er en af ​​de mest basale kemiske processer, hvor MN ved protonoverførsel (PT) mellem hydronium- og hydroxidioner og den omvendte reaktion af vandautoionisering, da dette styrer pH-værdien af ​​rent vand.

Denne proces har tiltrukket sig betydelig interesse, men direkte eksperimentel sondering af de underliggende reaktionsmekanismer har manglet. Ved at realisere interaktionen i fusionerede stråler af to ioniske arter med næsten nul relativ hastighed, var forskerne i stand til direkte at visualisere de neutrale produkter af disse reaktioner og observere tre forskellige produktkanaler.

To kanaler tilskrives en dominerende elektronoverførselsmekanisme, og en mindre kanal er forbundet med protonoverførsel. To-stråle kollisionseksperimentet er et vigtigt skridt i retning af at forstå kvantedynamikken i denne fundamentale reaktion.

Et team af videnskabsmænd ledet af prof. Daniel Strasser ved The Hebrew University i Israel sluttede sig til et team ledet af Dr. Richard Thomas ved Stockholm Universitet for at undersøge denne reaktion ved hjælp af DESIREE-faciliteten. Her skabes hydronium- og hydroxidionerne uafhængigt, fremstilles og får lov til at interagere på en kontrolleret måde, uden at andre nærliggende molekyler forstyrrer.

Den gensidige neutraliseringsreaktion måles derefter ved tilfældighedsdetektion af de individuelle neutrale produkter. I flydende vand er protonoverførsel den eneste reaktionsmekanisme, mens elektronoverførsel i det isolerede system dominerer, og protonoverførsel er en mindre kanal, men stadig kunne identificeres i DESIREE.

"Det er spændende at være i stand til direkte at observere konkurrencen mellem elektron- og protonoverførselsmekanismerne i denne reaktion," sagde Strasser. Den rapporterede mekanisme-opløste interne produktexcitation samt kollisionsenergi og initial ion-temperaturafhængighed udgør et benchmark for modellering af ladningsoverførselsmekanismer i forskellige "vandion"-holdige miljøer.

"Det er fantastisk, at vi kan tage en bottom-up tilgang til at tackle en af ​​fysisk kemiens sværeste udfordringer," sagde Richard Thomas. "Vi ser frem til langsomt at tilføje kompleksitet tilbage i eksperimentet ved at tilføje et vandmolekyle ad gangen og studere effekten af ​​dette, da elektronoverførslen på et tidspunkt skal falde, så protonoverføringskanalen dominerer fuldstændigt, og vi vil gerne finde ud af, hvornår det er."

"DESIREE-anlægget var i høj grad motiveret af evnen til at studere gensidig neutralisering for molekylære ioner, og dette er en milepæl for, at anlægget åbner en række muligheder for fremtidige undersøgelser af DESIREE-brugere," siger prof. Henning Schmidt, direktør for DESIREE-faciliteten og medforfatter på papiret.

Flere oplysninger: Alon Bogot et al., Den gensidige neutralisering af hydronium og hydroxid, Videnskab (2024). DOI:10.1126/science.adk1950

Leveret af Hebrew University of Jerusalem