februari 2008

All Alone, Ammonia and Hydrogen Chloride Use Negativity to Get Attached

milieu-elektronen stimuleren zuur-base reacties

Een extra elektron helpt NH3 Bump tot een Hcl (bovenste Midden) en trek de waterstof uit zijn chloride. Hierdoor ontstaat een met elektronen versierd ammoniumchloride, een ionenzout (rechtsonder). Het extra elektron kan tijdelijk zijn weg vinden in het ammoniummolecuul (linksonder) en zo een Rydbergradicaal vormen. Credit: Maciej Haranczyk. Vergrote weergave

elektronen-bits negatieve energie die je schokken wanneer je een deurklink aanraakt—stimuleren de chemische reactie tussen een zuur en een base, volgens nieuwe resultaten in het tijdschrift Science. De bevindingen kunnen onderzoekers op een dag helpen om de chemie in systemen die zich uitstrekken van biologie tot energietechnologie precies te controleren.

het team van experimentele en theoretische chemici van drie onderzoeksinstellingen gebruikte een eenvoudig zuur en base, waterstofchloride en ammoniak, om te onderzoeken hoe de twee reageren om het product ammoniumchloride te vormen zonder hulp van hun omgeving. Het resultaat toonde aan dat het leveren of verwijderen van een extra elektron—niet een die al in de moleculen aanwezig is—de reactie van zuur en base naar neutrale molecule of weer terug kan doen gaan. “the dream of chemists is to control chemical reactions,” zegt coauteur Greg Schenter van het Pacific Northwest National Laboratory. Coauteur Maciej Gutowski, voorheen van PNNL en nu aan de Heriot-Watt University in Edinburgh, Verenigd Koninkrijk, voegt toe: “we willen dat de reactie gebeurt wanneer we willen dat het gebeurt, en dat we een bepaald chemisch traject volgen.”

” we kunnen dit misschien gebruiken om waterstof uit de vaste toestand te krijgen, zoals in waterstofopslagmaterialen,” zegt Schenker. Als dat zo is, kan dat leiden tot economische, veilige en praktische waterstof aangedreven auto ‘ s. Het fundamentele resultaat zou ook biologische reacties kunnen verlichten, zoals wanneer straling DNA in cellen beschadigt, zegt coauteur Kit Bowen van de Johns Hopkins University.

” zijn waarde in mijn gedachten is dat deze reactie een eenvoudig prototype is. Er zijn een aantal zeer ingewikkelde reacties die zich op deze manier voordoen,” zegt Bowen. “Het toont ook aan dat milieu-effecten erg belangrijk zijn in reactiviteit.”

de reactie komt vaak voor in het dagelijks leven. Bijvoorbeeld, veel mensen weten niet te mengen vensterreiniger en toiletpotreiniger: verbindingen in elk graag reageren, soms afgeven gevaarlijke dampen en verlaten ammoniumchloride in hun kielzog. Maar wat veel mensen niet weten, is dat als je maar één molecuul neemt, elk van de onruststokers, ammoniak en waterstofchloride, de twee gewoon niet bij elkaar komen.

in water is de reactie tussen ammoniak (NH3) en waterstofchloride (HCl) een schoolvoorbeeld van zuur-base chemie. Door zijn chemische aard, de stikstof in ammoniak de voorkeur aan vier waterstof in plaats van de slechts drie het heeft, dus steelt het de waterstof uit waterstofchloride.

de diefstal laat chloride alleen en negatief. Maar het stikstofmolecuul (nu ammonium genoemd) heeft een positieve lading gekregen van de gestolen waterstof, en dat trekt het chloride aan. De aantrekkingskracht is niet zo sterk als de covalente binding tussen de stikstof en zijn ventilatorbasis, maar ammonium en chloride vormen een ionische binding, die ontstaat wanneer tegenpolen elkaar aantrekken. Voor een chemicus lijkt dit op NH4 + Cl -.

maar dat is in een menigte, niet privé. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat wanneer één ammoniakmolecuul in isolatie met één waterstofchloridemolecuul bestaat, er niets gebeurt. Alle noodzakelijke, klassieke componenten zijn er: positieve hydrogenen (ook wel protonen genoemd)en negatieve elektronen, maar toch gebeurt er niets. Onderzoekers hebben lang vermoed dat extra elektronen die rondzweven in de omgeving met een groot volume op de een of andere manier de ammoniak-en waterstofchloridemoleculen zouden kunnen helpen om te reageren. Als dat zo is, zou een ammoniumchloride in de natuur er echt uitzien als …

“Extra elektronen zijn overal,” zegt computationeel chemicus Schenter. “Als je een ballon in je haar wrijft, klop je elektronen van je haar en het oppervlak van de ballon en krijg je statische elektriciteit. Je kunt niet van ze weg.”

om het idee te testen, moesten de experimentalisten, onder leiding van fysisch chemicus Bowen, de reactie in omgekeerde volgorde uitvoeren. Eerst creëerden ze een molecuul ammoniumchloride versierd met een extra elektron. Met behulp van een lichtbundel gemeten ze hoe gemakkelijk verschillende kleuren van licht sloeg dat elektron. Het verliezen van het elektron laat een offkilter NH4+Cl-achter, die onmiddellijk herschikt wordt tot een gezellig paar, NH3 en HCl.

met computerprogramma ‘ s ontwikkeld om de aard van chemische binding en structuur in de VS te begrijpen Department of Energy ‘ s Environmental Molecular Sciences Laboratory op de PNNL campus, de theorie en modellering team nam die gegevens en gebruikte het om te meten hoe dicht de chloride waterstof werd sidling tot de ammoniak stikstof wanneer het extra elektron is rond. Het resulterende beeld toonde hoe het verliezen van het overtollige elektron ammoniak en waterstofchloride kan veroorzaken om te zetten in ammoniumchloride.

“Het is als een switch,” zegt Schenker. “In de aanwezigheid van elektronen gedraagt het zich op één manier. Zonder elektronen gedraagt het zich anders.”

de onderzoekers losten ook een ander raadsel op. Chemici hebben zich al lang afgevraagd over die interactie tussen dat knusse paar, één molecuul ammoniak en één molecuul waterstofchloride. De binding kan ofwel ionisch van aard zijn of meer als een waterstofbinding, zwakker dan zowel Ionische als covalente bindingen, maar met kenmerken van elk. Door de gegevens in de afwezigheid en aanwezigheid van elektronen te vergelijken, bepaalde het theoretische team de soorten regelingen waarin de stikstof, waterstof en chloride zich zouden kunnen bevinden. Hieruit concludeerden ze dat de moleculen een waterstofbinding vormden.

het begrijpen van de reactie geeft hoop dat de chemie een schone toekomst zal hebben. “Als je de reactie onder controle hebt, kun je op een veilige en milieuvriendelijke manier werken”, zegt Gutowski. Dankbetuigingen: dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation en het Department of Energy ‘ s Offices of Basic Energy Sciences and Biological & Environmental Research, onderdeel van het Office of Science.

citaat: Eustis, SN, d Radisic, KH Bowen, RA Bachorz, m Haranczyk, GK Schender, M Gutowski. 2008. “Elektron-Gedreven Zuur-Base Chemie: Proton Transfer from Hydrogen Chloride to Ammonia, ” Science 319, 936.