Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Bildung von Kohlensäure in Echtzeit verfolgt

13.11.2009
Eine der wichtigsten chemischen Reaktionen in wässrigen Systemen – die Bildung von Kohlensäure durch Protonierung von Bicarbonat-Ionen – konnten Wissenschaftler des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie jetzt zeitaufgelöst verfolgen.

Es gelang ihnen erstmals, die molekulare Kohlensäure mittels Ultrakurzzeitspektroskopie im Wasser nachzuweisen. Dabei stellten sie fest, dass Kohlensäure im Wasser länger stabil ist, als bisher angenommen, nämlich mehrere Nanosekunden.

Außerdem konnten sie die Säurekonstante der Kohlensäure genau bestimmen. Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe von Science Express. Sie könnten von Bedeutung für Umweltprozesse sein, bei denen Kohlendioxid und Wasser eine Rolle spielen, etwa bei der Übersäuerung der Ozeane, bei der Verwitterung von Gesteinen oder bei der Lagerung von Kohlendioxid in Sedimentschichten.

Was im Volksmund Kohlensäure genannt wird, ist eigentlich das Gas Kohlendioxid. Dieses verbindet sich in wässrigen Lösungen mit einem Molekül Wasser und wird zur Kohlensäure (H2CO3). Die Kohlensäure ist aber nicht stabil, sondern zerfällt sehr schnell in Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). In der extrem kurzen Zeit ihrer Existenz reagiert die Kohlensäure jedoch auch wie eine Säure, nämlich indem sie ein Proton abgibt. Es bleibt dann ein Bicarbonat-Ion zurück. „Diese Reaktion war wegen der schnellen Zerfallszeit der Kohlensäure bisher kaum Messungen zugänglich“, sagt Dr. Erik Nibbering. Bislang konnte deshalb niemand Kohlensäure im Wasser als intaktes Molekül detektieren, obwohl Wissenschaftler ihre Bildungsreaktion seit einem Jahrhundert postuliert haben. Vor zwanzig Jahren hat man Kohlensäure als isoliertes Molekül in der Gasphase oder eingefroren in Eis nachgewiesen. Die MBI-Wissenschaftler haben nun erstmals Kohlensäure auch im Wasser detektiert.

Die Forscher untersuchten mit Femtosekundenlaserpulsen, wie schnell sich die Kohlensäure aus einem Bicarbonat-Ion und einem Proton bildet und wie lange sie stabil bleibt. Aus der Bildungsreaktion der Kohlensäure – der Protonierung – konnten sie Rückschlüsse auf ihre Reaktion als Säure ziehen. Als Protonenspender verwendeten sie sogenannte Photosäuren. Das sind chemische Verbindungen, die sich durch Anregung mit Licht von einer schwachen Säure in eine starke Säure verwandeln. „Diese Photosäuren sind für unsere Experimente ideal, weil wir so den Zeitpunkt der Protonenabgabe genau bestimmen können“, so Nibbering.

Die Forscher beschossen eine Lösung aus Bicarbonat und Photosäure und mit ultrakurzen Lichtblitzen. Dadurch wird die Photosäure „sauer“, sie gibt ihr Proton ab, welches vom Bicarbonat aufgenommen wird, was dadurch zur Kohlensäure wird. Mit einem zweiten, kurz darauf folgenden Lichtblitz konnten die Forscher typische Molekülschwingungen messen und dadurch sehen, wie viel Kohlensäure sich gebildet hatte. Dieses Experiment wiederholten sie immer wieder, nur dass sie den zweiten Blitz minimal zeitversetzt aussendeten. All das spielte sich in unvorstellbar kurzer Zeit, in Femtosekunden ab. Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde. Für die Protonierungszeit von Bicarbonat konnten sie auf diese Weise 6 Pikosekunden ermitteln, das sind 6000 Femtosekunden. Da dies eine relativ langsame Protonierungszeit ist, zogen die MBI-Forscher den Schluss, dass Wassermoleküle eine aktive Rolle in der Übergabe des Protons von der Photosäure zum Bicarbonat spielen müssten.

Weil Kohlensäure so schnell zerfällt, konnten Chemiker bislang ihre echte Azidität – also wie sauer sie ist – mit rund 3,6 ± 0,3 nur abschätzen. Das chemische Standardexperiment zur Untersuchung der Säurestärke – die sogenannte Titration – ergibt immer eine Säurekonstante von 6,35; hier ist aber der Zerfall der Kohlensäure mit inbegriffen. Anhand der ultraschnellen Protonierungsexperimente und nachfolgender mathematischer Modellierungen konnten die MBI-Chemiker die Säurekonstante der Kohlensäure in wässriger Lösung mit 3,45 ± 0.15 nun viel genauer angeben. Sie ist damit eine milde Säure, deren Azidität die zwischen der von Ameisensäure und Essigsäure liegt.

Die relativ lange Lebensdauer der Kohlensäure und ihre moderate Azidität sollten in Studien der Chemie des Kohlendioxids in Wasser Berücksichtigung finden, meint Nibbering. Denn Kohlensäure ist nicht nur eine kurzlebige Stufe zwischen Kohlendioxid und Bikarbonat mit Protonen als Nebenprodukt, sondern hat auch eine wichtige eigene Identität. Sie kann als intaktes Molekül reagieren, was beispielsweise bei der Reaktion von Oberflächen von Sedimentschichten von Bedeutung sein kann.

Kontakt:

Dr. Erik Nibbering, Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Tel.: 030 6392 1477, E-Mail: nibbering@mbi-berlin.de

Christine Vollgraf | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.fv-berlin.de
http://www.mbi-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Polymere aus Bor produzieren
18.01.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Modularer Genverstärker fördert Leukämien und steuert Wirksamkeit von Chemotherapie
18.01.2018 | Deutsches Krebsforschungszentrum

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: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Im Focus: Scientists decipher key principle behind reaction of metalloenzymes

So-called pre-distorted states accelerate photochemical reactions too

What enables electrons to be transferred swiftly, for example during photosynthesis? An interdisciplinary team of researchers has worked out the details of how...

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Im Focus: The first precise measurement of a single molecule's effective charge

For the first time, scientists have precisely measured the effective electrical charge of a single molecule in solution. This fundamental insight of an SNSF Professor could also pave the way for future medical diagnostics.

Electrical charge is one of the key properties that allows molecules to interact. Life itself depends on this phenomenon: many biological processes involve...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - März 2018

17.01.2018 | Veranstaltungen

2. Hannoverscher Datenschutztag: Neuer Datenschutz im Mai – Viele Unternehmen nicht vorbereitet!

16.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Polymere aus Bor produzieren

18.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Humane Sachbearbeitung mit Künstlicher Intelligenz

18.01.2018 | Informationstechnologie

Modularer Genverstärker fördert Leukämien und steuert Wirksamkeit von Chemotherapie

18.01.2018 | Biowissenschaften Chemie