En ekstra elektron hjælper NH3 bump op til en HCL (øverste midten) og trække brintet fra dets chlorid. Dette skaber et elektronudsmykket ammoniumchlorid, et ionisk salt (nederst til højre). Den ekstra elektron kan midlertidigt finde vej ind i ammoniummolekylet (nederst til venstre) og danne en Rydberg-radikal. Kredit: Maciej Harancsyk. Elektroner-bit af negativ energi, der chokerer dig, når du rører ved et dørhåndtag—anspore den kemiske reaktion mellem en syre og en base, ifølge nye resultater i tidsskriftet Science. Resultaterne kan hjælpe forskere en dag med præcist at kontrollere kemi i systemer lige fra biologi til energiteknologi.

teamet af eksperimentelle og teoretiske kemikere fra tre forskningsinstitutioner brugte en simpel syre og base, hydrogenchlorid og ammoniak, til at undersøge, hvordan de to reagerer for at danne produktet ammoniumchlorid uden hjælp fra deres omgivelser. Resultatet afslørede, at tilførsel eller fjernelse af en ekstra elektron—ikke en, der allerede er bosiddende i molekylerne—kan få reaktionen til at gå fra syre og base til neutralt molekyle eller tilbage igen.

“kemikernes drøm er at kontrollere kemiske reaktioner,” siger medforfatter Greg Schenter fra det nordvestlige laboratorium i Stillehavet. “Vi ønsker, at reaktionen skal ske, når vi ønsker, at den skal ske, og at gå langs en bestemt kemisk vej.”

“Vi kan muligvis bruge dette til at få brint ud af fast tilstand, som i brintlagringsmaterialer,” siger Schenter. I så fald kan det føre til økonomiske, sikre og praktiske brintdrevne biler. Det grundlæggende resultat kan også hjælpe med at belyse biologiske reaktioner, som når stråling beskadiger DNA i celler, siger medforfatter fra Johns Hopkins University.

” dens værdi i mit sind er, at denne reaktion er en simpel prototype. Der er nogle meget komplicerede reaktioner, der opstår på denne måde,” siger han. “Det viser også, at miljøeffekter er meget vigtige i reaktivitet.”

reaktionen er almindelig i hverdagen. For eksempel ved mange mennesker ikke at blande vinduesrenser og toiletskålrenser: forbindelser i hver kan lide at reagere, undertiden afgiver farlige dampe og efterlader ammoniumchlorid i kølvandet. Men hvad mange mennesker ikke ved, er, at hvis du kun tager et molekyle hver af urolighederne, ammoniak og hydrogenchlorid, kan de to bare ikke få deres handling sammen.

i vand er reaktionen mellem ammoniak (NH3) og hydrogenchlorid (HCl) et lærebogseksempel på syre-base Kemi. Af sin kemiske natur foretrækker nitrogenet i ammoniak at være bundet til fire hydrogener snarere end de blot tre, det har, så det stjæler brintet fra hydrogenchlorid. tyveriet efterlader klorid alene og negativt. Men nitrogenmolekylet (nu kaldet ammonium) har fået en positiv ladning fra det stjålne brint, og det tiltrækker klorid. Tiltrækningen er ikke så stærk som den kovalente binding mellem nitrogenet og dets ventilatorbase, men ammonium og chlorid danner en ionbinding, en der dannes, når modsætninger tiltrækker. For en kemiker ser dette ud som NH4 + Cl -.

men det er i en menneskemængde, ikke så privat. Tidligere forskning har vist, at når et ammoniakmolekyle eksisterer isoleret med et hydrogenchloridmolekyle, sker der intet. Alle de nødvendige, klassiske komponenter er der: positive hydrogener (også kaldet protoner) og negative elektroner, men der sker ikke noget. Forskere har længe mistanke om, at yderligere elektroner, der flyder rundt i højvolumenmiljøet, på en eller anden måde kan hjælpe ammoniak-og hydrogenchloridmolekylerne til at reagere. I så fald ville et ammoniumchlorid i naturen virkelig se ud -.

“ekstra elektroner er overalt,” siger computational chemist Schenter. “Når du gnider en ballon i dit hår, banker du elektroner af dit hår og ballonens overflade, og du får statisk elektricitet. Du kan ikke komme væk fra dem.”

for at teste ideen måtte eksperimentalisterne, ledet af den fysiske kemiker Bugen, gøre reaktionen omvendt. Først, de skabte et molekyle af ammoniumchlorid prydet med en ekstra elektron, -. Ved hjælp af en lysstråle målte de derefter, hvor let forskellige farver af lys slog den elektron af. At miste elektronen efterlader en offkilter NH4 + Cl -, som straks omarrangeres til et hyggeligt par, NH3 og HCl.

med computerprogrammer udviklet til at forstå arten af kemisk binding og struktur i USA. Department of Energy ‘ s Environmental Molecular Sciences Laboratory på pnnl campus tog teori-og modelleringsholdet disse data og brugte dem til at måle, hvor tæt chloridets hydrogen sad op til ammoniakens nitrogen, når den ekstra elektron er omkring. Det resulterende billede viste, hvordan tab af overskydende elektron kan få ammoniak og hydrogenchlorid til at omdanne til ammoniumchlorid.

“det er som en kontakt,” siger Schenter. “I nærværelse af elektroner opfører den sig på en måde. Uden elektroner opfører den sig på en anden måde.”

forskerne løste også en anden gåde. Kemikere har længe undret sig over den interaktion mellem det hyggelige par, et molekyle ammoniak og et molekyle hydrogenchlorid. Bindingen kan enten være ionisk eller mere som en hydrogenbinding, svagere end både ioniske og kovalente bindinger, men med karakteristika for hver. Sammenligning af dataene i fravær og tilstedeværelse af elektroner bestemte det teoretiske team, hvilke typer arrangementer nitrogen, hydrogener og chlorid kunne være i. Fra disse konkluderede de, at molekylerne dannede en hydrogenbinding.

at forstå reaktionen bringer håb om, at kemi vil have en ren fremtid. “Hvis du kan styre reaktionen, kan du operere på en sikker og miljøvenlig måde,” siger Gutovsky.

anerkendelser: dette arbejde blev støttet af National Science Foundation og Department of Energy ‘ s kontorer for grundlæggende Energividenskab og biologisk & miljøforskning, en del af Office of Science.

henvisning: Eustis, SN, D Radisic, KH Bugen, RA Bachor, M Harancsyk, GK Schenter, m Gutovsky. 2008. “Elektrondrevet Syre-Base Kemi: Protonoverførsel fra hydrogenchlorid til ammoniak,” Science 319, 936.