februari 2008

helt ensam, ammoniak och väteklorid använder negativitet för att fästa

miljöelektroner stimulerar syrabasreaktioner

en extra elektron hjälper NH3 att stöta upp till en HCL (övre mitten) och dra väte från kloriden. Detta skapar en elektrondekorerad ammoniumklorid, ett joniskt salt (längst ner till höger). Den extra elektronen kan tillfälligt hitta sin väg in i ammoniummolekylen (längst ner till vänster) och bilda en Rydberg-radikal. Kredit: Maciej Haranczyk. Förstorad vy

elektroner—bitar av negativ energi som chockar dig när du rör vid ett dörrhandtag—sporrar den kemiska reaktionen mellan en syra och en bas, enligt nya resultat i tidskriften Science. Resultaten kan hjälpa forskare en dag exakt kontrollera kemi i system som sträcker sig från biologi till energiteknik.

teamet av experimentella och teoretiska kemister från tre forskningsinstitutioner använde en enkel syra och bas, väteklorid och ammoniak, för att undersöka hur de två reagerar för att bilda produkten ammoniumklorid utan hjälp från sin omgivning. Resultatet avslöjade att tillförsel eller avlägsnande av en extra elektron—inte en som redan finns i molekylerna—kan få reaktionen att gå från syra och bas till neutral molekyl eller tillbaka igen.

”kemisternas dröm är att kontrollera kemiska reaktioner”, säger medförfattare Greg Schenter från Pacific Northwest National Laboratory. Tillägger medförfattare Maciej Gutowski, tidigare från PNNL och nu vid Heriot-Watt University i Edinburgh, Storbritannien, ”vi vill att reaktionen ska hända när vi vill att det ska hända och gå längs en viss kemisk väg.”

”Vi kanske kan använda detta för att få väte ur fast tillstånd, som i vätelagringsmaterial”, säger Schenter. Om så är fallet kan det leda till ekonomiska, säkra och praktiska vätgasdrivna bilar. Det grundläggande resultatet kan också hjälpa till att belysa biologiska reaktioner, till exempel när strålning skadar DNA i celler, säger medförfattare Kit Bowen från Johns Hopkins University.

” dess värde i mitt sinne är att denna reaktion är en enkel prototyp. Det finns några mycket komplicerade reaktioner som uppstår på detta sätt,” säger Bowen. ”Det visar också att miljöeffekter är mycket viktiga vid reaktivitet.”

reaktionen är vanlig i vardagen. Till exempel vet många att inte blanda fönsterrengörare och toalettskålrensare: föreningar i var och en gillar att reagera, ibland avger farliga ångor och lämnar ammoniumklorid i kölvattnet. Men vad många inte vet är att om du bara tar en molekyl var och en av bråkmakarna, ammoniak och väteklorid, kan de två bara inte få sin handling tillsammans.

i vatten är reaktionen mellan ammoniak (NH3) och väteklorid (HCl) ett läroboksexempel på syrabaskemi. Genom sin kemiska natur föredrar kvävet i ammoniak att fästas på fyra väten snarare än de bara tre som det har, så det stjäl väte från väteklorid. stölden lämnar klorid ensam och negativ. Men kvävemolekylen (nu kallad ammonium) har fått en positiv laddning från det stulna väte, och det lockar kloriden. Attraktionen är inte lika stark som den kovalenta bindningen mellan kvävet och dess fläktbas, men ammonium och klorid bildar en jonbindning, en som bildas när motsatser lockar. Till en kemist ser det ut som NH4 + Cl -.

men det är i en folkmassa, inte så privat. Tidigare forskning har visat att när en ammoniakmolekyl existerar isolerat med en vätekloridmolekyl, händer ingenting. Alla nödvändiga klassiska komponenter finns där: positiva väten (även kallade protoner) och negativa elektroner, men ändå händer ingenting. Forskare har länge misstänkt att ytterligare elektroner som flyter runt i högvolymmiljön på något sätt kan hjälpa ammoniak-och vätekloridmolekylerna att reagera. Om så är fallet, en ammoniumklorid i naturen skulle verkligen se ut -.

”Extra elektroner finns överallt”, säger beräkningskemist Schenter. ”När du gnuggar en ballong i håret slår du elektroner av håret och ballongens yta och du får statisk elektricitet. Du kan inte komma ifrån dem.”

för att testa tanken var experimentalisterna, ledda av fysisk kemist Bowen, tvungna att göra reaktionen i omvänd ordning. Först skapade de en molekyl ammoniumklorid prydd med en extra elektron, -. Med hjälp av en ljusstråle mätte de sedan hur lätt Olika ljusfärger slog av den elektronen. Att förlora elektronen lämnar ett offfilter NH4+Cl-, som omedelbart omarrangeras till ett mysigt par, NH3 och HCl.

med datorprogram utvecklade för att förstå arten av kemisk bindning och struktur i USA. Institutionen för Energi Miljö molekylära vetenskaper laboratorium på PNNL campus, teori och modellering laget tog dessa data och använde den för att mäta hur nära kloridens väte sidling upp till ammoniakens kväve när den extra elektronen är runt. Den resulterande bilden visade hur förlust av överskottselektronen kan orsaka att ammoniak och väteklorid omvandlas till ammoniumklorid.

”det är som en switch”, säger Schenter. ”I närvaro av elektroner beter sig det på ett sätt. Utan elektroner beter sig det på ett annat sätt.”

forskarna löste också en annan gåta. Kemister har länge undrat över den interaktionen mellan det mysiga paret, en molekyl ammoniak och en molekyl väteklorid. Bindningen kan vara antingen jonisk i naturen eller mer som en vätebindning, svagare än både joniska och kovalenta bindningar men med egenskaper hos var och en. Att jämföra data i frånvaro och närvaro av elektroner bestämde det teoretiska laget vilka typer av arrangemang kväve, väten och klorid kunde vara i. Från dessa drog de slutsatsen att molekylerna bildade en vätebindning.

att förstå reaktionen ger hopp om att kemi kommer att ha en ren framtid. ”Om du kan kontrollera reaktionen kan du arbeta på ett säkert och miljövänligt sätt”, säger Gutowski.

erkännanden: detta arbete stöddes av National Science Foundation och Institutionen för energi Kontor för grundläggande Energivetenskap och biologisk & miljöforskning, en del av Office of Science.

citat: Eustis, sn, D Radisic, kh Bowen, RA Bachorz, M Haranczyk, GK Schenter, M Gutowski. 2008. ”Elektrondriven Syrabaskemi: Protonöverföring från väteklorid till ammoniak, ” vetenskap 319, 936.