Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

RUB-Wissenschaftler lösen das Rätsel basischer Lösungen

27.06.2002


Elementare Annahmen als irreführend entlarvt
NATURE berichtet: Wie Reaktionen in Basen ablaufen


Die Übertragung von elektrischer Ladung in wässrigen Basen läuft anders ab, als Generationen von Wissenschaftlern bisher angenommen haben. Das konnten nach mehrjähriger Zusammenarbeit Mark Tuckerman (New York University), Dominik Marx (Fakultät für Chemie der RUB) und Michele Parrinello (Swiss Center for Scientific Computing, ETH Zürich) mit einem selbstgeschriebenen Computerprogramm und einem Großrechner zeigen. Sie fanden heraus, dass die einfachste Reaktion in Basen durch quantenmechanische Effekte beeinflusst wird. Zudem läuft sie nicht spiegelbildlich zu der in Säuren ab, so wie es seit fast 100 Jahren allgemein angenommen wurde. Über die Ergebnisse berichtet das Magazin NATURE in seiner heutigen Ausgabe.

Bisher unklar: Wie Basen genau funktionieren

Zunutze machen sich die Menschen die Reaktionsbedingungen in basischen Lösungen schon lange, etwa für einen der ältesten großchemischen Prozesse: die Seifenherstellung. Auch für die Biochemie und die organische Synthese sind basische Bedingungen wesentlich. Wie genau basische Lösungen auf atomistischer Ebene beschaffen sind, war jedoch bisher unklar. Basen (pH-Wert >7) zeichnen sich gegenüber neutralen Lösungen durch einen Überschuss von OH- Ionen aus. Sie sind die natürlichen Gegenspieler des H+ Ions, von dem Säuren (pH-Wert <7) einen Überschuss enthalten. In neutralen Lösungen wie Wasser herrscht ein Gleichgewicht zwischen beiden Ionen (pH-Wert = 7).

Ionen verschieben ihre Ladung über H-Brücken

Chemische Reaktionen laufen i.d.R. in saurem und basischem Milieu ganz unterschiedlich ab. Seit langer Zeit ist bekannt, dass wässrige basische Lösungen elektrischen Strom extrem gut leiten, d.h. die überzähligen Ladungsträger OH- müssen eine sehr große Mobilität in Wasser besitzen. Die Wissenschaft weiß, dass nicht die OH- Ionen selbst wandern, sondern dass nur ihre Ladungen entlang von Wasserstoffbrückenbindungen verschoben werden. Dabei gingen die Forscher bisher davon aus, dass sich das OH- Ion spiegelbildlich analog zu dem besser untersuchten H+ Ion verhält.

Nach den Berechnungen: Umdenken

In Säuren befindet sich das H+ Ion oft zwischen zwei Wassermolekülen, schematisch [H2O...H...OH2 ]+. Es kann jedoch fast ohne Energieaufwand verschoben werden, wodurch ein H3O+ Molekül entsteht, das seinerseits über Wasserstoffbrücken von drei Wassermolekülen umgegeben ist, schematisch H3O+(H2O)3. Die Ladung wandert dabei gleich über mehrere Bindungslängen. Noch im Jahr 2000 erschien eine Arbeit, der die Annahme zugrunde lag, OH- und damit Basen verhielten sich genauso. Die analogen zwei Komplexe seien also [HO...H...OH]- und OH-(H2O)3. Die Forschergruppe um Prof. Marx entwickelte ein Computerprogramm, das sowohl die Elektronen als auch die Atomkerne quantenmechanisch beschreibt. Sein Einsatz auf einem Großrechner machte die althergebrachte Vorstellung anderer Forscher zunichte.

Das Tunneln beschleunigt die Reaktion

Es zeigte sich, dass das OH- Ion in Wasser nicht wie bisher angenommen von drei, sondern von vier Wassermolekülen umgeben ist (siehe Teilabbildung a). Dieses Phänomen bezeichnen die Wissenschaftler als "Hyperkoordination". Damit ein H leicht verschoben werden kann, muss dieser Komplex zuerst ein Wassermolekül verlieren (siehe b und c), was ein relativ langsamer Schritt ist. Nach dieser "Aktivierung" kann ein [HO...H...OH]- Komplex entstehen (siehe d), welcher sich nun wieder in ein von vier Wassermolekülen umgebenes OH- Ion umwandelt (siehe e und f). Nach diesen Umlagerungen ist der OH- Defekt um eine Wasserstoffbrückenlänge gewandert (vgl. f mit a). Dieser Komplex existiert in Basen allerdings nur als sog. "Übergangskomplex" und ist damit nicht stabil wie im sauren Milieu. Die Forscher konnten schließlich zeigen, dass quantenmechanische Effekte, insbesondere das Tunneln eines Protons, die Umwandlung von OH-(H2O)3 merklich beschleunigen; dieser Effekt ist bei Säuren völlig vernachlässigbar. Ihr Fazit: das OH- Ion in Wasser verhält sich nicht wie das Spiegelbild von H+, womit die bisherigen Lehrbuch-Vorstellungen von wässrigen Basen über Bord zu werfen sind.

Titelaufnahme

M.E. Tuckerman; D. Marx; M. Parrinello: "The nature and transport mechanism of hydrated hydroxide ions in aqueous solution" In: Nature (London), 27. Juni 2002.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Fakultät für Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28083, Fax: 0234/32-14045, E-Mail: dominik.marx@theochem.ruhr-uni-bochum.de,.

Dr. Josef König | idw
Weitere Informationen:
http://www.theochem.ruhr-uni-bochum.de/

Weitere Berichte zu: Basen Ion OH- Säure Wassermolekül

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut
20.10.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Aus der Moosfabrik
20.10.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise