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 Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen
12.12.2017 | Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

nachricht Undercover im Kampf gegen Tuberkulose
12.12.2017 | Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.

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: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Im Focus: Electromagnetic water cloak eliminates drag and wake

Detailed calculations show water cloaks are feasible with today's technology

Researchers have developed a water cloaking concept based on electromagnetic forces that could eliminate an object's wake, greatly reducing its drag while...

Im Focus: Neue Einblicke in die Materie: Hochdruckforschung in Kombination mit NMR-Spektroskopie

Forschern der Universität Bayreuth und des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ist es erstmals gelungen, die magnetische Kernresonanzspektroskopie (NMR) in Experimenten anzuwenden, bei denen Materialproben unter sehr hohen Drücken – ähnlich denen im unteren Erdmantel – analysiert werden. Das in der Zeitschrift Science Advances vorgestellte Verfahren verspricht neue Erkenntnisse über Elementarteilchen, die sich unter hohen Drücken oft anders verhalten als unter Normalbedingungen. Es wird voraussichtlich technologische Innovationen fördern, aber auch neue Einblicke in das Erdinnere und die Erdgeschichte, insbesondere die Bedingungen für die Entstehung von Leben, ermöglichen.

Diamanten setzen Materie unter Hochdruck

Im Focus: Scientists channel graphene to understand filtration and ion transport into cells

Tiny pores at a cell's entryway act as miniature bouncers, letting in some electrically charged atoms--ions--but blocking others. Operating as exquisitely sensitive filters, these "ion channels" play a critical role in biological functions such as muscle contraction and the firing of brain cells.

To rapidly transport the right ions through the cell membrane, the tiny channels rely on a complex interplay between the ions and surrounding molecules,...

Im Focus: Stabile Quantenbits

Physiker aus Konstanz, Princeton und Maryland schaffen ein stabiles Quantengatter als Grundelement für den Quantencomputer

Meilenstein auf dem Weg zum Quantencomputer: Wissenschaftler der Universität Konstanz, der Princeton University sowie der University of Maryland entwickeln ein...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Innovative Strategien zur Bekämpfung von parasitären Würmern

08.12.2017 | Veranstaltungen

Hohe Heilungschancen bei Lymphomen im Kindesalter

07.12.2017 | Veranstaltungen

Der Roboter im Pflegeheim – bald Wirklichkeit?

05.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Mit Quantenmechanik zu neuen Solarzellen: Forschungspreis für Bayreuther Physikerin

12.12.2017 | Förderungen Preise

Stottern: Stoppsignale im Gehirn verhindern flüssiges Sprechen

12.12.2017 | Biowissenschaften Chemie

E-Mobilität: Neues Hybridspeicherkonzept soll Reichweite und Leistung erhöhen

12.12.2017 | Energie und Elektrotechnik