Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein Elektron auf Tauchgang

27.03.2015

Erkenntnisse, wie Elektronen in Wasser gelöst werden, erweitern die Einflussmöglichkeiten auf chemische Reaktionen

Chemie kann ziemlich unübersichtlich sein. Damit bei einer Reaktion der gewünschte Stoff entsteht, sich zwei Substanzen überhaupt aufeinander einlassen oder gerade nicht, müssen Chemiker zahlreiche Faktoren berücksichtigen. Forscher des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin machen ihnen jetzt eine weitere Stellschraube zugänglich.


Am Lichtkatapult: Jan-Christoph Deinert justiert den blauen Laser, mit dem Forscher des Fritz-Haber-Instituts Elektronen aus einer Kupferplatte in eine dünne, amorphe Eisschicht schleudern. Die Eisschicht dient ihnen als Modell für flüssiges Wasser. Mit ihren Experimenten untersuchen die Forscher, wie das Elektron darin gelöst wird.

© Clemens Richter / Fritz-Haber-Institut


Fotofalle für Elektronen: Mit Blitzen roten Laserlichts beobachten Max-Planck-Forscher um Julia Stähler, wie ein Elektron in eine amorphe Eisschicht eindringt. Die Laserpulse schlagen den negativen Ladungsträger dabei gleichzeitig aus der Eisschicht, einem Modellsystem für flüssiges Wasser, heraus. Auf diese Weise messen die Wissenschaftler, wie stark das Elektron im Wasser gebunden ist, wenn es darin eintaucht.

© Michael Meyer / Fritz-Haber-Institut

Sie haben bestimmt, wie stark Elektronen gebunden sind, wenn sie von Wasser aufgenommen werden – und zwar ganz zu Anfang, sobald die negativen Ladungsträger von einem Material wie etwa einem möglichen Reaktionspartner ins Wasser abgegeben werden. Elektronen sind die eigentlichen Akteure in chemischen Reaktionen, weil sie dabei zwischen verschiedenen Atomen verschoben werden.

Ob das passiert, hängt von ihrer Bindungsenergie an die unterschiedlichen Komponenten ab. Und bei Reaktionen in wässrigen Lösungen ist die Bindungsenergie eines Elektrons am Anfang des Prozesses, bei dem dieses gelöst wird, ein entscheidender Faktor. Jetzt da er bekannt ist, können Chemiker ihn berücksichtigen, wenn sie Reaktionen planen oder verhindern möchten.

Ein Elektron, das losgelöst von einem Atom oder Molekül im Wasser schwimmt, verhält sich in etwa so wie ein Einsiedlerkrebs ohne Muschel: So wie der Krebs sich schnell eine neue Behausung sucht und dabei mit seinen Artgenossen nicht gerade zimperlich umgeht, will auch das Elektron möglichst schnell wieder bei einem Atom unterschlüpfen und drängt sich dabei in die chemischen Verbindungen, die es im Wasser gerade findet. Daher mischen solche nackten Elektronen bei zahlreichen chemischen Reaktionen mit, wenn Wasser vorhanden ist: in den chemischen Prozessen in biologischen Zellen etwa, oder bei der Entstehung des Ozonlochs und anderen Reaktionen in der Atmosphäre, die in winzigen Wassertröpfchen stattfinden.

Ehe ein Elektron im Wasser seine neue Bleibe in einem Atom oder Molekül einnimmt, strebt es jedoch erst einmal nach einem notdürftigen Ausgleich für seine negative Ladung, um seine elektronische Blöße zu bedecken. Zu diesem Zweck umgibt es sich mit Wassermolekülen, die positive elektrische Pole besitzen und diese zur negativen Ladung des Elektrons ausrichten. Ist das geschehen, ist das Elektron im Wasser gelöst. Nun hat ein Team um Julia Stähler, Leiterin einer Arbeitsgruppe am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, detaillierte Informationen über den Lösevorgang gewonnen.

Chemiker brauchen die Bindungsenergie des eintauchenden Elektrons

Die Forscher haben zum einen ermittelt, mit welcher Energie das nackte Elektron gebunden ist, unmittelbar nachdem es ins Wasser eintaucht und seine Ladung noch nicht mit den positiven Polen von Wassermolekülen abgepuffert ist. Demnach ist ein solches Elektron deutlich schwächer gebunden als selbst die äußeren Elektronen der Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium, die wegen der niedrigen Bindungsenergie ihrer Elektronen auch schon extrem reaktiv sind. Zum anderen haben die Forscher festgestellt, dass es nur 22 Femtosekunden dauert, bis das Elektron beginnt, Wassermoleküle um sich zu versammeln – eine Femtosekunde ist der Millionste Bruchteil einer Milliardstel Sekunde.

Das enorme Tempo des Prozesses erklärt, warum Wissenschaftler die Bindungsenergie des Elektrons direkt nach seinem Eintauchen ins Wasser bislang nicht messen konnten. „Diese Information ist für Chemiker jedoch wichtig, wenn sie Reaktionen mit gelösten Elektronen fördern oder verhindern wollen“, erklärt Julia Stähler. Denn genau diese Energie entscheidet, ob der erste Schritt einer Reaktion mit gelösten Elektronen stattfindet oder nicht: Wenn eine Substanz ein Elektron ans Wasser abgibt, muss es die Bindungsenergie eines Elektrons mitbringen, das gerade im Wasser eintaucht.

Das Team der Physikerin hat die Erkenntnisse über den Tauchgang des Elektrons mithilfe der sogenannten zeitaufgelösten Zwei-Photonen-Photoelektronenspektroskopie (2PPE) gewonnen. Bei der Photoelektronenspektroskopie katapultiert Licht Elektronen aus ihrer atomaren Umgebung heraus. Aus der Energie des Lichts und der Bewegungsenergie des davon fliegenden Elektrons, lässt sich seine Bindungsenergie bestimmen. Zwei Photonen erlauben es dabei, die Bindungsenergie in Zuständen zu messen, die Elektronen gewöhnlich nicht und wenn, dann nur mit einem Energieschubs, einnehmen. In einem solchen Zustand befindet sich ein Elektron, unmittelbar nachdem es ins Wasser eintaucht.

Ein Modell aus Eis mit der Struktur von flüssigem Wasser

Um die Bindungsenergie der tauchenden Elektronen zu ermitteln, verwendet das Team um Julia Stähler ein Modell von Wasser: Eine dünne Schicht Eis, in der die Wassermoleküle aber nicht wie in gewöhnlichem Eis, sondern ähnlich wie in flüssigem Wasser angeordnet sind, nämlich amorph. Diese dünne Eisschicht erzeugen sie auf einem Kupferplättchen. Aus dem Kupferplättchen schlagen die Forscher mit einem ersten sehr kurzen Laserblitz nun zunächst ein Elektron heraus, das daraufhin in die amorphe Eisschicht eindringt. Dann jagen sie auf ihre Probe einen zweiten Laserpuls, der das Elektron auch aus der Eisschicht schleudert. Den zeitlichen Abstand zwischen den beiden Laserblitzen stellen sie gezielt, mit der Genauigkeit von Femtosekunden ein. Dank dieser Zeitauflösung können sie verfolgen, wie lange das Elektron in dem Zustand verweilt, in dem es noch nicht von den Wassermolekülen gelöst ist.

Auf diese Weise fand das Team zudem heraus, dass ein Elektron auch direkt – also sogar ohne den Zeitverzug von 22 Femtosekunden – im gelösten Zustand landen kann, in dem die Wassermoleküle seine Ladung ausgleichen. „Damit beantworten wir die Frage, ob sich ein Elektron im Wasser sein eigenes Potenzialloch gräbt oder in ein zumindest kleines Loch fällt, das bereits existiert.“, sagt Julia Stähler. Ein Potenzialloch entsteht, wenn die Dipole der Wassermoleküle so ausgerichtet sind, dass ihre positiven Pole das negativ geladene Elektron einhüllen. „Wenn das Elektron direkt in einem solchen Potenzialloch landen kann, muss es das natürlich schon vorher geben“, sagt die Physikerin. Würde das Elektron sein Potenzialloch erst erzeugen, drehten die Wasserdipole ihre positiven Pole erst zu ihm hin, sobald sie es wahrnehmen. Und das würde zumindest eine kleine Weile dauern. Allerdings vertieft ein Elektron das bereits vorhandene Loch, in dem es Platz gefunden hat, noch.

Julia Stähler ist überzeugt, dass sich die Erkenntnisse aus der Studie an dem Modellsystem weitgehend auf flüssiges Wasser übertragen lassen. „Der absolute Wert der Bindungsenergie kann natürlich abweichen“, sagt Julia Stähler. „Der Löseprozess dürfte in Wasser aber genauso schnell und auf dieselbe Weise stattfinden wie in unserem Modellsystem.“ Daher erforschen die Berliner Max-Planck-Forscher am amorphen Eis weiter, wie Elektronen im Wasser eintauchen. So bestimmen sie nun etwa, wie weit das Elektron ins Wasser eindringt, ehe es von den Wassermolekülen beeinflusst. Denn auch diese Erkenntnis gäbe Chemikern Anhaltspunkte, wie sie Reaktionen in Wasser beeinflussen können.


Ansprechpartner

Dr. Julia Stähler
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Telefon: +49 30 8413-5125

Fax: +49 30 8413-5375

E-Mail: staehler@fhi-berlin.mpg.de


Originalpublikation
Julia Stähler, Jan-Christoph Deinert, Daniel Wegkamp , Sebastian Hagen und Martin Wolf

Real-Time Measurement of the Vertical Binding Energy during the Birth of a Solvated Electron

Journal of the American Chemical Society, online veröffentlicht 22. Januar 2015; doi: 10.1021/ja511571y

Dr. Julia Stähler | Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/9086169/elektron-geloest-bindungsenergie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin
23.01.2017 | Ferdinand-Braun-Institut Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik

nachricht Einblicke ins Atom
23.01.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie