Février 2008

Tout Seul, l’Ammoniac et le Chlorure d’Hydrogène Utilisent La Négativité Pour S’Attacher

Les électrons environnementaux stimulent les réactions acido-basiques

Un électron supplémentaire aide le NH3 à atteindre un HCl (milieu supérieur) et à extraire l’hydrogène de son chlorure. Cela crée un chlorure d’ammonium orné d’électrons, un sel ionique (en bas à droite). L’électron supplémentaire peut se frayer un chemin, temporairement, dans la molécule d’ammonium (en bas à gauche), formant un radical de Rydberg. Crédit: Maciej Haranczyk. Vue agrandie

Les électrons — des bits d’énergie négative qui vous choquent lorsque vous touchez une poignée de porte — stimulent la réaction chimique entre un acide et une base, selon de nouveaux résultats publiés dans la revue Science. Les résultats pourraient aider les chercheurs un jour à contrôler précisément la chimie dans des systèmes allant de la biologie à la technologie énergétique.

L’équipe de chimistes expérimentaux et théoriques de trois instituts de recherche a utilisé un acide et une base simples, le chlorure d’hydrogène et l’ammoniac, pour étudier comment les deux réagissent pour former le produit chlorure d’ammonium sans l’aide de leur environnement. Le résultat a révélé que la fourniture ou l’élimination d’un électron supplémentaire — qui ne réside pas déjà dans les molécules — peut faire passer la réaction de l’acide et de la base à la molécule neutre ou revenir à nouveau.

« Le rêve des chimistes est de contrôler les réactions chimiques », explique le coauteur Greg Schenter du Pacific Northwest National Laboratory. Maciej Gutowski, coauteur de PNNL et maintenant à l’Université Heriot-Watt d’Édimbourg, au Royaume-Uni, ajoute: « Nous voulons que la réaction se produise quand nous voulons qu’elle se produise et qu’elle suive une certaine voie chimique. »

« Nous pourrons peut-être utiliser cela pour extraire l’hydrogène de l’état solide, comme dans les matériaux de stockage d’hydrogène », explique Schenter. Si c’est le cas, cela pourrait conduire à des automobiles à hydrogène économiques, sûres et pratiques. Le résultat fondamental pourrait également aider à éclairer les réactions biologiques, par exemple lorsque les rayonnements endommagent l’ADN dans les cellules, explique Kit Bowen, coauteur de l’Université Johns Hopkins.

« Sa valeur dans mon esprit est que cette réaction est un prototype simple. Il y a des réactions très compliquées qui se produisent de cette façon « , explique Bowen. « Cela montre également que les effets environnementaux sont très importants dans la réactivité. »

La réaction est courante dans la vie quotidienne. Par exemple, beaucoup de gens savent ne pas mélanger le nettoyant pour vitres et le nettoyant pour cuvettes de toilettes: les composés de chacun aiment réagir, dégageant parfois des vapeurs dangereuses et laissant du chlorure d’ammonium dans leur sillage. Mais ce que beaucoup de gens ne savent pas, c’est que si vous prenez une seule molécule chacun des fauteurs de troubles, l’ammoniac et le chlorure d’hydrogène, les deux ne peuvent tout simplement pas s’entendre.

Dans l’eau, la réaction entre l’ammoniac (NH3) et le chlorure d’hydrogène (HCl) est un exemple classique de chimie acido-basique. De par sa nature chimique, l’azote contenu dans l’ammoniac préfère être attaché à quatre hydrogènes plutôt qu’aux trois qu’il contient, de sorte qu’il vole l’hydrogène du chlorure d’hydrogène.

Le vol laisse le chlorure seul et négatif. Mais la molécule d’azote (maintenant appelée ammonium) a gagné une charge positive de l’hydrogène volé, et cela attire le chlorure. L’attraction n’est pas aussi forte que la liaison covalente entre l’azote et sa base en éventail, mais l’ammonium et le chlorure forment une liaison ionique, qui se forme lorsque les opposés s’attirent. Pour un chimiste, cela ressemble à NH4 + Cl-.

Mais c’est dans une foule, pas en privé. Des recherches antérieures ont montré que lorsqu’une molécule d’ammoniac existe isolément avec une molécule de chlorure d’hydrogène, rien ne se passe. Tous les composants classiques nécessaires sont là: des hydrogènes positifs (également appelés protons) et des électrons négatifs, mais pourtant, rien ne se passe. Les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que des électrons supplémentaires flottant dans l’environnement à volume élevé pourraient en quelque sorte aider les molécules d’ammoniac et de chlorure d’hydrogène à réagir. Si c’est le cas, un chlorure d’ammonium dans la nature ressemblerait vraiment à -.

« Les électrons supplémentaires sont partout », explique le chimiste computationnel Schenter. « Lorsque vous frottez un ballon dans vos cheveux, vous éliminez les électrons de vos cheveux et de la surface du ballon et vous obtenez de l’électricité statique. Tu ne peux pas t’en éloigner. »

Pour tester l’idée, les expérimentateurs, dirigés par le chimiste physique Bowen, ont dû faire la réaction en sens inverse. Tout d’abord, ils ont créé une molécule de chlorure d’ammonium ornée d’un électron supplémentaire, -. En utilisant un faisceau de lumière, ils ont ensuite mesuré la facilité avec laquelle différentes couleurs de lumière éliminaient cet électron. La perte de l’électron laisse derrière lui un filtre non filtrant NH4 + Cl-, qui se réarrange immédiatement en une paire confortable, NH3 et HCl.

Avec des programmes informatiques développés pour comprendre la nature de la liaison et de la structure chimiques aux États-Unis. Le laboratoire des sciences moléculaires environnementales du Département de l’Énergie sur le campus de PNNL, l’équipe de théorie et de modélisation a pris ces données et les a utilisées pour évaluer à quel point l’hydrogène du chlorure se détache de l’azote de l’ammoniac lorsque l’électron supplémentaire est autour. L’image résultante a montré comment la perte de l’électron excédentaire peut entraîner la transformation de l’ammoniac et du chlorure d’hydrogène en chlorure d’ammonium.

« C’est comme un interrupteur », explique Schenter. « En présence d’électrons, il se comporte dans un sens. Sans électrons, il se comporte d’une autre manière. »

Les chercheurs ont également résolu une autre énigme. Les chimistes se sont longtemps interrogés sur cette interaction entre cette paire confortable, une molécule d’ammoniac et une molécule de chlorure d’hydrogène. La liaison pourrait être de nature ionique ou plus semblable à une liaison hydrogène, plus faible que les liaisons ioniques et covalentes mais avec des caractéristiques de chacune. En comparant les données en l’absence et en présence d’électrons, l’équipe théorique a déterminé les types d’arrangements dans lesquels l’azote, les hydrogènes et le chlorure pourraient se trouver. À partir de ceux-ci, ils ont conclu que les molécules formaient une liaison hydrogène.

Comprendre la réaction apporte l’espoir que la chimie aura un avenir propre. « Si vous pouvez contrôler la réaction, vous pouvez opérer de manière sûre et respectueuse de l’environnement », explique Gutowski.

Remerciements: Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation et les Bureaux des Sciences fondamentales de l’énergie et de la biologie du Département de l’Énergie&Environmental Research, qui fait partie du Bureau des Sciences.

Citation: Eustis, SN, D Radisic, KH Bowen, RA Bachorz, M Haranczyk, GK Schenter, M Gutowski. 2008.  » Chimie Acido-Basique à Commande Électronique: Transfert de protons du chlorure d’hydrogène à l’ammoniac », Science 319, 936.