Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Die Bildung des kleinsten Säuretropfens - Bochumer Highlight in Science

19.06.2009
Neuer Reaktionsmechanismus bei ultrakalten Temperaturen
Vier Wassermoleküle und ein HCl genügen

Genau vier Wassermoleküle sind notwendig, um mit Chlorwasserstoff den kleinstmöglichen Tropfen Säure zu erzeugen. Diese Erkenntnis haben die Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Martina Havenith-Newen (Physikalische Chemie) und Prof. Dr. Dominik Marx (Theoretische Chemie) im Rahmen der RUB-Forschergruppe 618 gewonnen.

Sie führten dazu Experimente bei ultrakalten Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt durch, wobei sie die Moleküle mit Infrarotlaserspektroskopie beobachteten, und setzten parallel auf theoretische Berechnungen, sog. ab initio Simulationen.

Diese Reaktion bei eisiger Kälte ist ihren Berechnungen zufolge nur dann möglich, wenn ein Molekül nach dem anderen einzeln hinzugefügt wird. Ihre Ergebnisse sind als "Highlight-Artikel" in der aktuellen Ausgabe des Magazins Science veröffentlicht.

Chemie bei eisiger Kälte im All

Gibt man eine klassische Säure wie z.B. Chlorwasserstoff (HCl) in Wasser, so spaltet das Säuremolekül bevorzugt ein Proton (H+) ab. Dadurch sinkt der pH-Wert der Lösung stark ab, die Lösung wird also "sauer". Insbesondere bilden sich durch Zusammenlagerung der abgespaltenen Protonen mit Wassermolekülen so genannte Hydroniumionen (H3O+), die dann für eine Vielzahl weiterer Reaktionen im wässrigen Medium zur Verfügung stehen. Zwar ist diese Reaktion eine der zentralen Reaktionen der Chemie in wässriger Lösung. Bisher war aber offen, wie viele Wassermoleküle mindestens benötigt werden, um diese Trennung in ein negatives Ion Cl- und ein positives Ion H3O+ zu ermöglichen. "Während wir alle Säuren aus dem Alltag kennen, haben wir jetzt erstmals auf molekularer Ebene Säurebildung direkt beobachtet. Dieses Wissen brauchen wir auch, um chemische Prozesse in nanoskopischen Strukturen, auf kleinen Partikeln oder auf Oberflächen verstehen zu können", erklärt Prof. Havenith-Newen. Zudem gibt es eine reichhaltige Chemie auch bei sehr tiefen Temperaturen - eine zentrale Grundlage für Reaktionen auf stratosphärischen Wolken oder im interstellaren Medium. Es war aber offen, wie Reaktionen mit ganz wenigen Wassermolekülen bei ultrakalten Temperaturen überhaupt stattfinden können.

Ultrakalte Falle

Um dies experimentell untersuchen zu können, lagerten die Forscher sowohl Chlorwasserstoff als auch einzelne Wassermoleküle sukzessiv in eine besondere kalte Falle ein. Dazu verwendeten sie Tröpfchen von supraflüssigem Helium, die eine Temperatur von weniger als -272,8 °C haben. In diesem Tröpfchen werden die einzelnen Moleküle erst gekühlt, bevor sie miteinander reagieren. "Supraflüssig" ist dabei eine spezielle Eigenschaft des Heliums, die bedeutet, dass sich die eingelagerten Moleküle reibungslos darin weiterbewegen können, obwohl sie eigentlich "festgefroren" sein müssten. Dadurch ist eine Beobachtung mit bisher nicht erreichter Präzision möglich: So eingefangen lässt sich der ?Fingerabdruck? der Säuremoleküle - ihr Infrarotspektrum - genau beobachten. Durch eine Kombination dieser Einlagerungstechnik mit hochauflösender Infrarotlaserspektroskopie und theoretischen Berechnungen konnten die Chemiker zeigen, dass genau vier Wassermoleküle ausreichen, um mit HCl den kleinsten Tropfen Säure, (H3O)+(H2O)3Cl-, zu bilden.

Wichtig: Ein Molekül nach dem anderen hinzufügen

Nachdem der Nachweis erbracht war, stellte sich allerdings noch die Frage, wie diese Reaktion überhaupt so nahe am absoluten Temperaturnullpunkt stattfinden kann. "Normalerweise müssen chemische Reaktionen durch Zufuhr von Wärme aktiviert werden, genauso wie beim Kochen zu Hause durch eine Heizplatte oder Gasflamme", erläutert Prof. Marx. "Wie soll das aber bei weniger als einem Kelvin möglich sein?" Hier zeigten die Rechnungen im Zusammenspiel mit dem Experiment, dass die Reaktion erst durch den schrittweisen Prozess der Anlagerung selbst ermöglicht wird. Statt also das HCl-Molekül und alle vier Wassermoleküle gleichzeitig zusammenzugeben und dann abzuwarten, beobachtet man in der Simulation, dass bei der schrittweisen Zugabe von einem Wassermolekül nach dem anderen genau bei Hinzufügen des vierten Wassermoleküls die Säure HCl ein Proton abgibt. Dies bildet dann sofort mit einem der vier Wassermoleküle ein Hydroniumion. Dieser unübliche Mechanismus wurde auf den Namen "aggregationsinduzierte Dissoziation" getauft. ?Wir vermuten, dass solche "aggregationsinduzierten Reaktionen" chemische Umwandlungen bei ultrakalten Bedingungen erklären, wie sie z.B. auf winzigsten Eispartikeln in Wolken oder im interstellarem Medium herrschen?, so Prof. Marx.

Förderung durch die DFG

Die dieser Publikation zugrunde liegenden Arbeiten sind Teil der Forschergruppe 618 "Die Aggregation kleiner Moleküle mit präzisen Methoden verstehen - Experiment und Theorie im Wechselspiel" (Sprecher: Prof. Dr. Wolfram Sander, Fakultät für Chemie und Biochemie der RUB), die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird und gerade nach erfolgreicher Begutachtung verlängert wurde.

Titelaufnahme

Anna Gutberlet, et al.: Below 1 K: The Smallest Droplet of Acid Aggregation-Induced Dissociation of HCl(H2O)4. In: Science 324, 1545 (2009); DOI: 10.1126/science.1171753

Weitere Informationen

Prof. Dr. Martina Havenith, Fakultät für Chemie und Biochemie der Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-24249, Fax: 0234/32-14183

martina.havenith@ruhr-uni-bochum.de

Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie der Ruhr-Universität Bochum, 44780 Bochum, Tel. 0234/32-28083

dominik.marx@theochem.rub.de

Redaktion: Meike Drießen

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

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht
25.04.2018 | Universitätsklinikum Heidelberg

nachricht Demographie beeinflusst Brutfürsorge bei Regenpfeifern
25.04.2018 | Max-Planck-Institut für Ornithologie

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: Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

Das Kleben der Zellverbinder von Hocheffizienz-Solarzellen im industriellen Maßstab ist laut dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und dem Anlagenhersteller teamtechnik marktreif. Als Ergebnis des gemeinsamen Forschungsprojekts »KleVer« ist die Klebetechnologie inzwischen so weit ausgereift, dass sie als alternative Verschaltungstechnologie zum weit verbreiteten Weichlöten angewendet werden kann. Durch die im Vergleich zum Löten wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen können vor allem temperatursensitive Hocheffizienzzellen schonend und materialsparend verschaltet werden.

Dabei ist der Durchsatz in der industriellen Produktion nur geringfügig niedriger als beim Verlöten der Zellen. Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung wurde...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: Innovatives 3D-Druckverfahren für die Raumfahrt

Auf der Hannover Messe 2018 präsentiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), wie Astronauten in Zukunft Werkzeug oder Ersatzteile per 3D-Druck in der Schwerelosigkeit selbst herstellen können. So können Gewicht und damit auch Transportkosten für Weltraummissionen deutlich reduziert werden. Besucherinnen und Besucher können das innovative additive Fertigungsverfahren auf der Messe live erleben.

Pulverbasierte additive Fertigung unter Schwerelosigkeit heißt das Projekt, bei dem ein Bauteil durch Aufbringen von Pulverschichten und selektivem...

Im Focus: BAM@Hannover Messe: innovative 3D printing method for space flight

At the Hannover Messe 2018, the Bundesanstalt für Materialforschung und-prüfung (BAM) will show how, in the future, astronauts could produce their own tools or spare parts in zero gravity using 3D printing. This will reduce, weight and transport costs for space missions. Visitors can experience the innovative additive manufacturing process live at the fair.

Powder-based additive manufacturing in zero gravity is the name of the project in which a component is produced by applying metallic powder layers and then...

Im Focus: IWS-Ingenieure formen moderne Alu-Bauteile für zukünftige Flugzeuge

Mit Unterdruck zum Leichtbau-Flugzeug

Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) in Dresden haben in Kooperation mit Industriepartnern ein innovatives Verfahren...

Im Focus: Moleküle brillant beleuchtet

Physiker des Labors für Attosekundenphysik, der Ludwig-Maximilians-Universität und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik haben eine leistungsstarke Lichtquelle entwickelt, die ultrakurze Pulse über einen Großteil des mittleren Infrarot-Wellenlängenbereichs generiert. Die Wissenschaftler versprechen sich von dieser Technologie eine Vielzahl von Anwendungen, unter anderem im Bereich der Krebsfrüherkennung.

Moleküle sind die Grundelemente des Lebens. Auch wir Menschen bestehen aus ihnen. Sie steuern unseren Biorhythmus, zeigen aber auch an, wenn dieser erkrankt...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

infernum-Tag 2018: Digitalisierung und Nachhaltigkeit

24.04.2018 | Veranstaltungen

Fraunhofer eröffnet Community zur Entwicklung von Anwendungen und Technologien für die Industrie 4.0

23.04.2018 | Veranstaltungen

Mars Sample Return – Wann kommen die ersten Gesteinsproben vom Roten Planeten?

23.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neuer Impfstoff-Kandidat gegen Malaria erfolgreich in erster klinischer Studie untersucht

25.04.2018 | Biowissenschaften Chemie

Erkheimer Ökohaus-Pionier eröffnet neues Musterhaus „Heimat 4.0“

25.04.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer ISE und teamtechnik bringen leitfähiges Kleben für Siliciumsolarzellen zu Industriereife

25.04.2018 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics