un electron suplimentar ajută NH3 să ajungă la un HCL (mijlocul superior) și să tragă hidrogenul din clorura sa. Aceasta creează o clorură de amoniu împodobită cu electroni, o sare Ionică (dreapta jos). Electronul suplimentar își poate găsi drumul, temporar, în molecula de amoniu (stânga jos), formând un radical Rydberg. Credit: Maciej Haranczyk. Electronii-biți de energie negativă care vă șochează atunci când atingeți un mâner al ușii—stimulează reacția chimică dintre un acid și o bază, potrivit noilor rezultate din revista Science. Descoperirile pot ajuta cercetătorii să controleze într-o zi cu precizie chimia în sisteme, de la biologie la tehnologia energetică.

echipa de chimiști experimentali și teoretici din trei instituții de cercetare a folosit un acid și o bază simplă, clorură de hidrogen și amoniac, pentru a investiga modul în care cei doi reacționează pentru a forma produsul clorură de amoniu fără ajutor din împrejurimile lor. Rezultatul a arătat că furnizarea sau îndepărtarea unui electron suplimentar—nu unul care locuiește deja în molecule—poate face ca reacția să treacă de la acid și bază la moleculă neutră sau înapoi.

„visul chimiștilor este de a controla reacțiile chimice”, spune coautorul Greg Schenter de la Pacific Northwest National Laboratory. Maciej Gutowski, coautor al PNNL și acum la Universitatea Heriot-Watt din Edinburgh, Marea Britanie, a adăugat: „vrem ca reacția să se întâmple atunci când vrem să se întâmple și să urmeze o anumită cale chimică.”s-ar putea să putem folosi acest lucru pentru a scoate hidrogenul din starea solidă, ca în materialele de stocare a hidrogenului”, spune Schenter. Dacă da, acest lucru ar putea duce la automobile economice, sigure și practice alimentate cu hidrogen. Rezultatul fundamental ar putea ajuta la iluminarea reacțiilor biologice, cum ar fi atunci când radiațiile dăunează ADN-ului din celule, spune coautorul Kit Bowen de la Universitatea Johns Hopkins.

„valoarea sa în mintea mea este că această reacție este un prototip simplu. Există câteva reacții foarte complicate care apar în acest fel”, spune Bowen. „De asemenea, arată că efectele asupra mediului sunt foarte importante în reactivitate.”

reacția este comună în viața de zi cu zi. De exemplu, mulți oameni știu să nu amestece curățătorul de ferestre și cel de toaletă: compușilor din fiecare le place să reacționeze, uneori degajând vapori periculoși și lăsând clorura de amoniu în urma lor. Dar ceea ce mulți oameni nu știu este că, dacă luați doar o moleculă fiecare dintre scandalagii, amoniac și clorură de hidrogen, cele două pur și simplu nu pot obține actul lor împreună.

în apă, reacția dintre amoniac (NH3) și clorură de hidrogen (HCl) este un exemplu Manual de chimie acido-bazică. Prin natura sa chimică, azotul din amoniac preferă să fie atașat la patru hidrogeni, mai degrabă decât la cei trei pe care îi are, așa că fură hidrogenul din clorura de hidrogen.

furtul lasă clorura singură și negativă. Dar molecula de azot (numită acum amoniu) a câștigat o sarcină pozitivă din hidrogenul furat și asta atrage clorura. Atracția nu este la fel de puternică ca legătura covalentă dintre azot și baza ventilatorului său, dar amoniul și clorura formează o legătură ionică, una care se formează atunci când se atrag contrariile. Pentru un chimist, acest lucru arata ca NH4 + Cl-.

dar asta e într-o mulțime, nu atât în privat. Cercetările anterioare au arătat că atunci când o moleculă de amoniac există izolat cu o moleculă de clorură de hidrogen, nu se întâmplă nimic. Toate componentele clasice necesare sunt acolo: hidrogenii pozitivi (numiți și protoni) și electronii negativi, dar totuși nu se întâmplă nimic. Cercetătorii au suspectat de mult timp că electronii suplimentari care plutesc în mediul cu volum mare ar putea ajuta cumva moleculele de amoniac și clorură de hidrogen să reacționeze. Dacă da, o clorură de amoniu în natură ar arăta cu adevărat -.

„electronii suplimentari sunt peste tot”, spune chimistul computațional Schenter. „Când îți freci un balon în păr, elimini electronii de pe păr și de pe suprafața balonului și obții electricitate statică. Nu poți scăpa de ei.”

pentru a testa ideea, experimentaliștii, conduși de chimistul fizic Bowen, au trebuit să facă reacția în sens invers. În primul rând, au creat o moleculă de clorură de amoniu împodobită cu un electron suplimentar, -. Folosind un fascicul de lumină, au măsurat apoi cât de ușor diferite culori de lumină au doborât acel electron. Pierderea electronului lasă în urmă un offkilter NH4 + Cl -, care se rearanjează imediat într-o pereche confortabilă, NH3 și HCl.

cu programe de calculator dezvoltate pentru a înțelege natura legăturilor chimice și a structurii în SUA. Laboratorul de științe moleculare de mediu al Departamentului Energiei din campusul PNNL, echipa de teorie și modelare a luat aceste date și le-a folosit pentru a măsura cât de strâns se apropia hidrogenul clorurii de azotul amoniacului atunci când electronul suplimentar este în jur. Imaginea rezultată a arătat cum pierderea surplusului de electroni poate determina transformarea amoniacului și a clorurii de hidrogen în clorură de amoniu.

„este ca un comutator”, spune Schenter. „În prezența electronilor, se comportă într-un fel. Fără electroni, se comportă altfel.”

cercetătorii au rezolvat și o altă enigmă. Chimiștii s-au întrebat de mult despre interacțiunea dintre acea pereche confortabilă, o moleculă de amoniac și o moleculă de clorură de hidrogen. Legătura ar putea fi fie de natură ionică, fie mai mult ca o legătură de hidrogen, mai slabă decât atât legăturile ionice, cât și cele covalente, dar cu caracteristici ale fiecăruia. Comparând datele în absența și prezența electronilor, echipa teoretică a determinat tipurile de aranjamente în care ar putea fi azotul, hidrogenii și clorura. Din acestea, au concluzionat că moleculele au format o legătură de hidrogen.

înțelegerea reacției aduce speranța că chimia va avea un viitor curat. „Dacă puteți controla reacția, puteți funcționa într-un mod sigur, ecologic”, spune Gutowski.

mulțumiri: această lucrare a fost susținută de Fundația Națională pentru științe și de birourile Departamentului Energiei pentru științe energetice de bază și biologice& cercetarea mediului, parte a Oficiului științei.

citare: Eustis, SN, D Radisic, Kh Bowen, RA Bachorz, m Haranczyk, GK Schenter, m Gutowski. 2008. „Chimie Acido-Bazică Condusă De Electroni: Transferul de protoni de la clorură de hidrogen la amoniac”, știința 319, 936.