febbraio 2008

Tutto da Solo, Ammoniaca e Cloruro di Idrogeno Utilizzare Negatività Per Ottenere Allegato

Ambientale elettroni stimolare reazioni acido-base

Un elettrone supplementare aiuta NH3 urto fino a un HCl (in alto al centro) ed estrarre l’idrogeno dal suo cloruro. Questo crea un cloruro di ammonio ornato di elettroni, un sale ionico (in basso a destra). L’elettrone extra può trovare la sua strada, temporaneamente, nella molecola di ammonio (in basso a sinistra), formando un radicale di Rydberg. Credito: Maciej Haranczyk. Vista ingrandita

Elettroni—bit di energia negativa che si shock quando si tocca una maniglia della porta—stimolare la reazione chimica tra un acido e una base, secondo i nuovi risultati sulla rivista Science. I risultati potrebbero aiutare i ricercatori un giorno a controllare con precisione la chimica in sistemi che vanno dalla biologia alla tecnologia energetica.

Il team di chimici sperimentali e teorici di tre istituti di ricerca ha utilizzato un semplice acido e base, acido cloridrico e ammoniaca, per studiare come i due reagiscono per formare il prodotto cloruro di ammonio senza l’aiuto dell’ambiente circostante. Il risultato ha rivelato che fornire o rimuovere un elettrone extra—non uno già residente nelle molecole—può far passare la reazione da acido e base a molecola neutra o viceversa.

“Il sogno dei chimici è quello di controllare le reazioni chimiche”, afferma il coautore Greg Schenter del Pacific Northwest National Laboratory. Aggiunge il coautore Maciej Gutowski, già di PNNL e ora alla Heriot-Watt University di Edimburgo, nel Regno Unito, ” Vogliamo che la reazione avvenga quando vogliamo che accada e che segua un certo percorso chimico.”

“Potremmo essere in grado di utilizzare questo per ottenere l’idrogeno dallo stato solido, come nei materiali di stoccaggio dell’idrogeno”, afferma Schenter. In tal caso, ciò potrebbe portare a automobili economiche, sicure e pratiche alimentate a idrogeno. Il risultato fondamentale potrebbe aiutare a illuminare anche le reazioni biologiche, come quando le radiazioni danneggiano il DNA all’interno delle cellule, dice il coautore Kit Bowen della Johns Hopkins University.

“Il suo valore nella mia mente è che questa reazione è un semplice prototipo. Ci sono alcune reazioni molto complicate che si verificano in questo modo”, dice Bowen. “Mostra anche che gli effetti ambientali sono molto importanti nella reattività.”

La reazione è comune nella vita di tutti i giorni. Ad esempio, molte persone sanno di non mescolare lavavetri e lavavetri: composti in ciascuno piace reagire, a volte emettendo fumi pericolosi e lasciando cloruro di ammonio nella loro scia. Ma quello che molte persone non sanno è che se si prende solo una molecola ciascuno dei facinorosi, ammoniaca e cloruro di idrogeno, i due semplicemente non possono ottenere il loro agire insieme.

In acqua, la reazione tra ammoniaca (NH3) e cloruro di idrogeno (HCl) è un esempio da manuale di chimica acido-base. Per la sua natura chimica, l’azoto nell’ammoniaca preferisce essere attaccato a quattro idrogeni piuttosto che ai soli tre che ha, quindi ruba l’idrogeno dall’acido cloridrico.

Il furto lascia cloruro solo e negativo. Ma la molecola di azoto (ora chiamato ammonio) ha guadagnato una carica positiva dal idrogeno rubato, e che attira il cloruro. L’attrazione non è forte come il legame covalente tra l’azoto e la sua base di ventaglio, ma l’ammonio e il cloruro formano un legame ionico, uno che si forma quando gli opposti si attraggono. Per un chimico, questo sembra NH4 + Cl -.

Ma è in mezzo alla folla, non così in privato. Ricerche precedenti hanno dimostrato che quando una molecola di ammoniaca esiste in isolamento con una molecola di cloruro di idrogeno, non succede nulla. Ci sono tutti i componenti classici necessari: idrogeni positivi (chiamati anche protoni) ed elettroni negativi, ma ancora, non succede nulla. I ricercatori hanno a lungo sospettato elettroni aggiuntivi galleggianti intorno nell’ambiente ad alto volume potrebbe in qualche modo aiutare le molecole di ammoniaca e cloruro di idrogeno a reagire. Se è così, un cloruro di ammonio in natura sarebbe davvero simile -.

“Gli elettroni extra sono ovunque”, afferma il chimico computazionale Schenter. “Quando ti strofini un palloncino tra i capelli, togli gli elettroni dai capelli e dalla superficie del palloncino e ottieni elettricità statica. Non puoi allontanarti da loro.”

Per testare l’idea, gli sperimentalisti, guidati dal chimico fisico Bowen, hanno dovuto fare la reazione al contrario. In primo luogo, hanno creato una molecola di cloruro di ammonio adornata con un elettrone in più, -. Usando un fascio di luce, hanno poi misurato quanto facilmente diversi colori di luce hanno eliminato quell’elettrone. Perdere l’elettrone lascia dietro di sé un offkilter NH4 + Cl -, che si riorganizza immediatamente in una coppia accogliente, NH3 e HCl.

Con programmi per computer sviluppati per comprendere la natura del legame chimico e la struttura negli Stati Uniti Dipartimento di Scienze molecolari ambientali Laboratorio del Dipartimento di Energia nel campus PNNL, il team di teoria e modellazione ha preso quei dati e li ha usati per misurare quanto strettamente idrogeno del cloruro è stato sidling fino all’azoto dell’ammoniaca quando l’elettrone in più è intorno. L’immagine risultante ha mostrato come la perdita dell’elettrone in eccesso può causare la trasformazione di ammoniaca e acido cloridrico in cloruro di ammonio.

“È come un interruttore”, dice Schenter. “In presenza di elettroni, si comporta in un modo. Senza elettroni, si comporta in un altro modo.”

I ricercatori hanno risolto anche un altro enigma. I chimici si sono a lungo interrogati su quell’interazione tra quella coppia accogliente, una molecola di ammoniaca e una molecola di cloruro di idrogeno. Il legame potrebbe essere di natura ionica o più simile a un legame idrogeno, più debole di entrambi i legami ionici e covalenti ma con caratteristiche di ciascuno. Confrontando i dati in assenza e presenza di elettroni, il team teorico ha determinato i tipi di disposizioni in cui potrebbero trovarsi azoto, idrogeni e cloruro. Da questi, hanno concluso che le molecole formavano un legame idrogeno.

Comprendere la reazione porta speranza che la chimica avrà un futuro pulito. “Se riesci a controllare la reazione, puoi operare in modo sicuro e rispettoso dell’ambiente”, afferma Gutowski.

Riconoscimenti: Questo lavoro è stato sostenuto dalla National Science Foundation e dagli uffici del Dipartimento dell’Energia delle scienze energetiche di base e biologiche& Ricerca ambientale, parte dell’Ufficio della Scienza.

Citazione: Eustis, SN, D Radisic, KH Bowen, RA Bachorz, M Haranczyk, GK Schenter, M Gutowski. 2008. “Electron-Driven acido-Base chimica: Trasferimento di protoni dall’acido cloridrico all’ammoniaca, ” Science 319, 936.