helmikuu 2008

yksin, ammoniakki ja vetykloridi käyttävät negatiivisuutta kiinnittymiseen

ympäristön elektronit stimuloivat happo-emäsreaktioita

ylimääräinen elektroni auttaa NH3: a törmäämään HCL: ään (ylhäällä keskellä) ja vetämään vetyä Kloridistaan. Näin syntyy elektroneja koristava ammoniumkloridi, ionisuola (alhaalla oikealla). Ylimääräinen elektroni saattaa löytää hetkellisesti tiensä ammoniummolekyyliin (alhaalla vasemmalla) muodostaen Rydberg-radikaalin. Luotto: Maciej Haranczyk. Laajentunut näkymä

elektronit—negatiivisen energian bittejä, jotka järkyttävät sinua, kun kosket ovenkahvaan—kiihdyttävät hapon ja emäksen välistä kemiallista reaktiota Science-lehdessä julkaistujen uusien tulosten mukaan. Löydökset voivat auttaa tutkijoita jonakin päivänä tarkasti hallitsemaan kemiaa systeemeissä, jotka vaihtelevat biologiasta energiateknologiaan.

kolmen tutkimuslaitoksen kokeellisten ja teoreettisten kemistien ryhmä tutki yksinkertaisen hapon ja emäksen, vetykloridin ja ammoniakin avulla, miten nämä kaksi reagoivat muodostaen tuotteen ammoniumkloridi ilman ympäristönsä apua. Tulos osoitti, että ylimääräisen elektronin—joka ei ole jo molekyyleissä—syöttäminen tai poistaminen voi saada reaktion siirtymään haposta ja emäksestä neutraaliin molekyyliin tai takaisin.

”kemistien unelma on valvoa kemiallisia reaktioita”, sanoo coauthor Greg Schenter Pacific Northwest National Laboratorysta. Lisää coauthor Maciej Gutowski, entinen pnnl ja nyt Heriot-Watt University Edinburghissa, UK, ”haluamme reaktion tapahtuvan, kun haluamme sen tapahtuvan, ja mennä tietyn kemiallisen reitin.”

”tämän avulla voimme ehkä saada vedyn pois kiinteästä olomuodosta, kuten vedyn varastointimateriaaleissa”, Schenter sanoo. Jos näin on, se voi johtaa taloudellisiin, turvallisiin ja käytännöllisiin vetyä käyttäviin autoihin. Perustulos voisi auttaa valaisemaan myös biologisia reaktioita, esimerkiksi silloin, kun säteily vahingoittaa DNA: ta solujen sisällä, sanoo coauthor Kit Bowen Johns Hopkinsin yliopistosta.

”sen arvo mielessäni on, että tämä reaktio on yksinkertainen prototyyppi. On joitakin hyvin monimutkaisia reaktioita, jotka tapahtuvat tällä tavalla”, Bowen sanoo. ”Se osoittaa myös, että ympäristövaikutukset ovat erittäin tärkeitä reaktiivisuudessa.”

reaktio on yleinen arjessa. Monet tietävät esimerkiksi olla sekoittamatta ikkunanpesuainetta ja wc-pöntön puhdistusainetta: yhdisteet kummassakin tykkäävät reagoida, jolloin niistä irtoaa joskus vaarallisia höyryjä ja ammoniumkloridia jää niiden vanavedessä. Moni ei kuitenkaan tiedä, että jos häiriköistä otetaan vain yksi molekyyli, ammoniakki ja vetykloridi, kaksikko ei vain saa tekoaan kasaan.

vedessä ammoniakin (NH3) ja vetykloridin (HCl) välinen reaktio on oppikirjaesimerkki happo-emäskemiasta. Kemialliselta luonteeltaan ammoniakin typpi kiinnittyy mieluummin neljään vetyyn kuin vain kolmeen vetyyn, joten se varastaa vedyn vetykloridista.

varkaus jättää kloridin yksin ja negatiiviseksi. Mutta typpimolekyyli (nykyään ammonium) on saanut varastetusta vedystä positiivisen varauksen, joka vetää kloridia puoleensa. Vetovoima ei ole yhtä voimakas kuin typen ja sen fanipohjan välinen kovalenttinen sidos, mutta ammonium ja kloridi muodostavat ionisidoksen, joka muodostuu vastakohtien vetäessä puoleensa. Kemistin mielestä tämä näyttää NH4+Cl -.

mutta se on porukassa, ei niin yksityisesti. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että kun yksi ammoniakkimolekyyli on eristyksissä yhden vetykloridimolekyylin kanssa, mitään ei tapahdu. Kaikki tarvittavat, klassiset komponentit ovat olemassa: positiiviset vety (kutsutaan myös protonit) ja negatiiviset elektronit, mutta silti, mitään ei tapahdu. Tutkijat ovat jo pitkään epäilleet, että suuret määrät ympäristössä leijuvat ylimääräiset elektronit voisivat jotenkin auttaa ammoniakki-ja vetykloridimolekyylejä reagoimaan. Jos on, ammoniumkloridi luonnossa näyttäisi …

”ylimääräisiä elektroneja on kaikkialla”, sanoo laskennallinen kemisti Schenter. ”Kun hankaat ilmapalloa hiuksiisi, irrotat elektroneja hiuksistasi ja ilmapallon pinnasta ja saat staattista sähköä. Et pääse pakoon.”

kokeillakseen ideaa, kokeellisten piti fysikaalisen kemistin Bowenin johdolla tehdä reaktio päinvastaisesti. Ensin he loivat ammoniumkloridimolekyylin, jota koristi ylimääräinen elektroni. Valonsäteen avulla he sitten mittasivat, kuinka helposti eri valovärit irrottivat tuon elektronin. Elektronin menettäminen jättää jälkeensä siveltimen NH4+Cl -, joka järjestyy välittömästi kodikkaaksi pariksi, NH3: ksi ja HCl: ksi.

tietokoneohjelmilla, jotka on kehitetty ymmärtämään kemiallisen sidoksen luonnetta ja rakennetta Yhdysvalloissa. Pnnl: n kampuksella sijaitsevan energiaministeriön Environmental Molecular Sciences-laboratorion teoria-ja mallinnustiimi otti nämä tiedot ja mittasi niiden avulla, kuinka tarkasti kloridin vety sidlasi ammoniakin typpeen, kun ylimääräinen elektroni on ympärillä. Saatu kuva osoitti, miten ylimääräisen elektronin menettäminen voi saada ammoniakin ja vetykloridin muuttumaan ammoniumkloridiksi.

”se on kuin kytkin”, Schenter sanoo. ”Elektronien läsnä ollessa se käyttäytyy yhdellä tavalla. Ilman elektroneja se käyttäytyy toisella tavalla.”

tutkijat selvittivät myös toisen arvoituksen. Kemistit ovat jo kauan ihmetelleet tuota vuorovaikutusta tuon mukavan parin, yhden ammoniakkimolekyylin ja yhden vetykloridimolekyylin, välillä. Sidos voi olla luonteeltaan joko ioninen tai enemmän vetysidoksen kaltainen, heikompi kuin sekä ioniset että kovalenttiset sidokset, mutta ominaisuuksiltaan kummatkin. Verrattaessa tietoja elektronien poissaolosta ja läsnäolosta teoreettinen ryhmä määritteli, millaisissa asetelmissa typpi, vety ja kloridi voisivat olla. Näistä he päättelivät molekyylien muodostavan vetysidoksen.

reaktion ymmärtäminen tuo toivoa siitä, että kemialla on puhdas tulevaisuus. ”Jos reaktiota pystyy kontrolloimaan, voi toimia turvallisella ja ympäristöystävällisellä tavalla”, Gutowski sanoo.

tunnustukset: tätä työtä tukivat National Science Foundation ja Department of Energy ’ s Office of Basic Energy Sciences and Biological & Environmental Research, joka on osa Tiedetoimistoa.

sitaatti: Eustis, SN, D Radisic, Kh Bowen, RA Bachorz, M Haranczyk, GK Schenter, M Gutowski. 2008. ”Elektronivetoinen Happo-Emäskemia: Proton Transfer from Hydrogen Chloride to ammonium, ” Science 319, 936.