r Ein zusätzliches Elektron hilft NH3, zu einem HCl (obere Mitte) zu stoßen und den Wasserstoff aus seinem Chlorid zu ziehen. Dadurch entsteht ein elektronenhaltiges Ammoniumchlorid, ein ionisches Salz (unten rechts). Das zusätzliche Elektron kann vorübergehend in das Ammoniummolekül (unten links) gelangen und ein Rydberg-Radikal bilden. Kredit: Maciej Haranczyk. Elektronen – Bits negativer Energie, die Sie schockieren, wenn Sie einen Türgriff berühren – spornen die chemische Reaktion zwischen einer Säure und einer Base an, so neue Ergebnisse in der Zeitschrift Science. Die Ergebnisse könnten Forschern helfen, die Chemie in Systemen von der Biologie bis zur Energietechnik präzise zu steuern.

Das Team experimenteller und theoretischer Chemiker aus drei Forschungseinrichtungen untersuchte mit einer einfachen Säure und Base, Chlorwasserstoff und Ammoniak, wie die beiden ohne Hilfe aus ihrer Umgebung zum Produkt Ammoniumchlorid reagieren. Das Ergebnis zeigte, dass das Zuführen oder Entfernen eines zusätzlichen Elektrons — nicht eines, das sich bereits in den Molekülen befindet — die Reaktion von Säure und Base zu einem neutralen Molekül oder wieder zurück führen kann. „Der Traum von Chemikern ist es, chemische Reaktionen zu kontrollieren“, sagt Co-Autor Greg Schenter vom Pacific Northwest National Laboratory. Co-Autor Maciej Gutowski, ehemals PNNL und jetzt an der Heriot-Watt University in Edinburgh, Großbritannien, fügt hinzu: „Wir möchten, dass die Reaktion stattfindet, wenn wir möchten, dass sie stattfindet, und einen bestimmten chemischen Weg einschlägt.“ Vielleicht können wir damit Wasserstoff aus dem festen Zustand holen, wie in Wasserstoffspeichermaterialien“, sagt Schenter. Wenn ja, könnte dies zu wirtschaftlichen, sicheren und praktischen wasserstoffbetriebenen Automobilen führen. Das grundlegende Ergebnis könnte auch dazu beitragen, biologische Reaktionen zu beleuchten, beispielsweise wenn Strahlung die DNA in Zellen schädigt, sagt Co-Autor Kit Bowen von der Johns Hopkins University.

„Sein Wert in meinem Kopf ist, dass diese Reaktion ein einfacher Prototyp ist. Es gibt einige sehr komplizierte Reaktionen, die auf diese Weise auftreten „, sagt Bowen. „Es zeigt auch, dass Umwelteinflüsse für die Reaktivität sehr wichtig sind.“

Die Reaktion ist im Alltag üblich. Zum Beispiel wissen viele Menschen, Fensterreiniger und Toilettenschüsselreiniger nicht zu mischen: Verbindungen in jedem reagieren gerne, geben manchmal gefährliche Dämpfe ab und hinterlassen Ammoniumchlorid. Aber was viele Leute nicht wissen, ist, dass, wenn Sie nur ein Molekül jeder der Unruhestifter nehmen, Ammoniak und Chlorwasserstoff, die beiden können einfach nicht zusammenkommen.

In Wasser ist die Reaktion zwischen Ammoniak (NH3) und Chlorwasserstoff (HCl)ein Lehrbuchbeispiel für die Säure-Basen-Chemie. Aufgrund seiner chemischen Natur zieht es der Stickstoff in Ammoniak vor, an vier Wasserstoffatome gebunden zu sein, anstatt an die bloßen drei, die er hat, so dass er den Wasserstoff aus Chlorwasserstoff stiehlt.

Der Diebstahl lässt Chlorid allein und negativ. Aber das Stickstoffmolekül (jetzt Ammonium genannt) hat eine positive Ladung aus dem gestohlenen Wasserstoff gewonnen, und das zieht das Chlorid an. Die Anziehungskraft ist nicht so stark wie die kovalente Bindung zwischen dem Stickstoff und seiner Fanbase, aber Ammonium und Chlorid bilden eine Ionenbindung, die sich bildet, wenn sich Gegensätze anziehen. Für einen Chemiker sieht das wie NH AUS4 + Cl-.

Aber das ist in einer Menschenmenge, nicht so privat. Frühere Forschungen haben gezeigt, dass, wenn ein Ammoniakmolekül isoliert mit einem Chlorwasserstoffmolekül existiert, nichts passiert. Alle notwendigen, klassischen Komponenten sind vorhanden: positive Wasserstoffatome (auch Protonen genannt) und negative Elektronen, aber immer noch passiert nichts. Forscher haben lange vermutet, dass zusätzliche Elektronen, die in der großvolumigen Umgebung herumschwimmen, den Ammoniak- und Chlorwasserstoffmolekülen irgendwie helfen könnten, zu reagieren. Wenn ja, würde ein Ammoniumchlorid in der Natur wirklich so aussehen -.

„Zusätzliche Elektronen sind überall“, sagt der Computerchemiker Schenter. „Wenn Sie einen Ballon in Ihr Haar reiben, klopfen Sie Elektronen von Ihrem Haar und der Oberfläche des Ballons und Sie erhalten statische Elektrizität. Du kannst ihnen nicht entkommen.“

Um die Idee zu testen, mussten die Experimentatoren unter der Leitung des Physikers Bowen die Reaktion umgekehrt durchführen. Zuerst schufen sie ein Molekül Ammoniumchlorid, das mit einem zusätzlichen Elektron geschmückt war, -. Mit einem Lichtstrahl maßen sie dann, wie leicht verschiedene Lichtfarben dieses Elektron abschüttelten. Der Verlust des Elektrons hinterlässt einen Offfilter NH4+ Cl-, der sich sofort in ein gemütliches Paar, NH3 und HCl, umlagert.

Mit Computerprogrammen entwickelt, um die Natur der chemischen Bindung und Struktur in den USA zu verstehen. Das Environmental Molecular Sciences Laboratory des Department of Energy auf dem PNNL-Campus, das Theorie- und Modellierungsteam, nahm diese Daten und verwendete sie, um zu messen, wie eng der Wasserstoff des Chlorids mit dem Stickstoff des Ammoniaks zusammenhängt, wenn das zusätzliche Elektron in der Nähe ist. Das resultierende Bild zeigte, wie der Verlust des überschüssigen Elektrons dazu führen kann, dass sich Ammoniak und Chlorwasserstoff in Ammoniumchlorid umwandeln.

„Es ist wie ein Schalter“, sagt Schenter. „In Gegenwart von Elektronen verhält es sich in eine Richtung. Ohne Elektronen verhält es sich anders.“

Die Forscher lösten auch ein weiteres Rätsel. Chemiker haben sich lange über diese Wechselwirkung zwischen diesem gemütlichen Paar, einem Molekül Ammoniak und einem Molekül Chlorwasserstoff, gewundert. Die Bindung könnte entweder ionischer Natur sein oder eher wie eine Wasserstoffbrückenbindung, schwächer als sowohl ionische als auch kovalente Bindungen, aber mit Eigenschaften von jedem. Das theoretische Team verglich die Daten in Abwesenheit und Anwesenheit von Elektronen und bestimmte die Arten von Anordnungen, in denen sich Stickstoff, Wasserstoff und Chlorid befinden könnten. Daraus schlossen sie, dass die Moleküle eine Wasserstoffbindung bildeten.

Das Verständnis der Reaktion bringt Hoffnung, dass die Chemie eine saubere Zukunft haben wird. „Wenn Sie die Reaktion kontrollieren können, können Sie sicher und umweltfreundlich arbeiten“, sagt Gutowski.

Danksagung: Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation und dem Department of Energy’s Offices of Basic Energy Sciences and Biological & Environmental Research, Teil des Office of Science, unterstützt.

Citation: K. H. Bachorz, M. Haranczyk, G.K. Schenter, M. Gutowski. 2008. „Elektronengetriebene Säure-Basen-Chemie: Protonentransfer von Chlorwasserstoff zu Ammoniak „, Science 319, 936.