luty 2008

całkowicie sam, amoniak i chlorek wodoru używają negatywności, aby się przyłączyć

elektrony środowiskowe stymulują reakcje kwasowo-zasadowe

dodatkowy Elektron pomaga NH3 podnieść się do Hcl (górny środek) i wyciągnąć Wodór z jego chlorku. W ten sposób powstaje elektronowy chlorek amonu, sól jonowa (na dole po prawej). Dodatkowy elektron może przejściowo znaleźć się w cząsteczce amonu (na dole po lewej), tworząc Rodnik Rydberga. Autor: Maciej Harańczyk. Powiększony widok

elektrony—fragmenty negatywnej energii, które wstrząsają po dotknięciu klamki drzwi—pobudzają reakcję chemiczną między kwasem a zasadą, zgodnie z nowymi wynikami w czasopiśmie Science. Odkrycia mogą pomóc naukowcom w precyzyjnym kontrolowaniu chemii w systemach, począwszy od biologii, a skończywszy na technologii energetycznej.

zespół eksperymentalnych i teoretycznych chemików z trzech instytucji badawczych użył prostego kwasu i zasady, chlorowodoru i amoniaku, aby zbadać, w jaki sposób oba reagują, tworząc produkt chlorku amonu bez pomocy otoczenia. Wynik ujawnił, że dostarczenie lub usunięcie dodatkowego elektronu—nie będącego już w cząsteczkach—może spowodować przejście reakcji z kwasu i zasady do obojętnej cząsteczki lub z powrotem.

„marzeniem chemików jest kontrolowanie reakcji chemicznych”, mówi współautor Greg Schenter z Pacific Northwest National Laboratory. Dodaje współautor Maciej Gutowski, wcześniej z PNNL, a obecnie z Heriot-Watt University w Edynburgu, w Wielkiej Brytanii: „chcemy, aby reakcja miała miejsce wtedy, kiedy chcemy, i aby przebiegała wzdłuż pewnej chemicznej ścieżki.”

” możemy być w stanie użyć tego do usunięcia wodoru z ciała stałego, jak w materiałach do przechowywania wodoru”, mówi Schenter. Jeśli tak, może to prowadzić do ekonomicznych, bezpiecznych i praktycznych samochodów napędzanych wodorem. Podstawowy wynik może również pomóc w oświetleniu reakcji biologicznych, takich jak uszkodzenie DNA w komórkach przez promieniowanie, mówi współautor Kit Bowen z Johns Hopkins University.

„jego wartością w moim umyśle jest to, że ta reakcja jest prostym prototypem. W ten sposób zachodzą bardzo skomplikowane reakcje”, mówi Bowen. „Pokazuje również, że wpływ na środowisko jest bardzo ważny dla reaktywności.”

reakcja jest powszechna w życiu codziennym. Na przykład wiele osób wie, aby nie mieszać środka do czyszczenia okien i środka do czyszczenia muszli klozetowych: związki w każdym z nich lubią reagować, czasami wydzielając niebezpieczne opary i pozostawiając po sobie chlorek amonu. Ale wielu ludzi nie wie, że jeśli weźmiemy tylko jedną cząsteczkę dla każdego z awanturników, amoniak i chlorowodór, te dwie cząsteczki nie mogą się połączyć.

w wodzie reakcja między amoniakiem (NH3) i chlorowodorem (HCl) jest podręcznikowym przykładem chemii kwasowo-zasadowej. Ze względu na swoją chemiczną naturę, azot w amoniaku woli być przyłączony do czterech wodorów, a nie tylko trzech, które ma, więc kradnie wodór z chlorowodoru.

kradzież pozostawia chlorek sam i ujemny. Ale cząsteczka azotu (obecnie zwana amonem) zyskała ładunek dodatni od skradzionego wodoru, a to przyciąga chlorek. Przyciąganie nie jest tak silne jak wiązanie kowalencyjne między azotem a jego bazą wachlarzową, ale Amon i chlorek tworzą wiązanie jonowe, które tworzy się, gdy przeciwieństwa się przyciągają. Dla chemika wygląda to jak NH4 + Cl -.

ale to w tłumie, nie tak prywatnie. Wcześniejsze badania wykazały, że gdy jedna cząsteczka amoniaku istnieje w izolacji z jedną cząsteczką chlorowodoru, nic się nie dzieje. Wszystkie niezbędne, Klasyczne komponenty są tam: dodatnie wodory (zwane także protonami) i ujemne elektrony, ale nadal nic się nie dzieje. Naukowcy od dawna podejrzewają, że dodatkowe elektrony unoszące się w środowisku o dużej objętości mogą w jakiś sposób pomóc cząsteczkom amoniaku i chlorowodoru w reakcji. Jeśli tak, to chlorek amonu w przyrodzie naprawdę wyglądałby jak -.

„dodatkowe elektrony są wszędzie”, mówi chemik obliczeniowy Schenter. „Kiedy wcierasz balon we włosy, wyrzucasz elektrony z włosów i powierzchni balonu i otrzymujesz elektryczność statyczną. Nie możesz od nich uciec.”

aby przetestować ten pomysł, eksperymentatorzy, kierowani przez fizykologa Bowena, musieli przeprowadzić reakcję w odwrotnym kierunku. Po pierwsze, stworzyli cząsteczkę chlorku amonu ozdobiona dodatkowym elektronem, -. Używając wiązki światła, zmierzyli, jak łatwo różne kolory światła powaliły ten elektron. Utrata elektronu pozostawia za sobą filtr NH4+Cl-, który natychmiast przestawia się w przytulną parę, NH3 i HCl.

z programami komputerowymi opracowanymi w celu zrozumienia natury wiązania chemicznego i struktury w USA. Laboratorium środowiskowych Nauk molekularnych Wydziału energii na kampusie PNNL zespół teorii i modelowania zebrał te dane i wykorzystał je do oceny, jak blisko wodoru chlorku przesuwa się do azotu amoniaku, gdy dodatkowy elektron znajduje się w pobliżu. Uzyskany obraz pokazał, jak utrata nadmiaru elektronu może spowodować przemianę amoniaku i chlorowodoru w chlorek amonu.

„To jest jak przełącznik”, mówi Schenter. „W obecności elektronów zachowuje się w jeden sposób. Bez elektronów zachowuje się inaczej.”

badacze rozwiązali również kolejną zagadkę. Chemicy od dawna zastanawiali się nad interakcją między tą parą, jedną cząsteczką amoniaku i jedną cząsteczką chlorowodoru. Wiązanie może mieć charakter jonowy lub bardziej podobny do wiązania wodorowego, słabszego od wiązań jonowych i kowalencyjnych, ale o cechach każdego z nich. Porównując dane w przypadku nieobecności i obecności elektronów, zespół teoretyczny ustalił rodzaje układów, w których mogą znajdować się azot, wodory i chlorek. Z nich wynika, że cząsteczki tworzą wiązanie wodorowe.

zrozumienie reakcji daje nadzieję, że chemia będzie miała czystą przyszłość. „Jeśli możesz kontrolować reakcję, możesz działać w bezpieczny, przyjazny dla środowiska sposób”, mówi Gutowski.

podziękowania: praca ta była wspierana przez National Science Foundation oraz Wydział Energetyki biura Nauk o energii i Biologii & badania środowiskowe, część biura Nauki.

cytat: Eustis, SN, D Radisic, KH Bowen, RA Bachorz, m Harańczyk, GK Schenter, m Gutowski. 2008. „Chemia Kwasowo-Zasadowa Elektronowa: Transfer protonów z chlorku wodoru do amoniaku, ” Nauka 319, 936.