Удалось проследить движение протона от кислоты к основанию

Теодор фон Гротгус (1785–1822). Описанный им в 1805 году механизм передачи иона водорода от кислоты к основанию через молекулы воды получил экспериментальное подтверждение ровно через 200 лет (изображение с сайта ejournal.eduprojects.net)

Сотрудники берлинского Института нелинейной оптики и высокоскоростной спектроскопии им. Макса Борна (MBI) впервые зафиксировали последовательные стадии одного из самых фундаментальных движений в природе. Они проследили «прыжки» протона (иона водорода H⁺) от кислоты к основанию по цепочке из молекул воды в ходе реакции нейтрализации.

Для этого доктору Эрику Нибберингу (Erik Nibbering) и его коллегам, среди которых египетский аспирант Омар Мохаммед (Omar Mohammed) и группа ученых из Университета им. Бен Гуриона (Негев, Израиль), пришлось разработать технологию, позволяющую при помощи сверхкоротких лазерных вспышек отслеживать ход реакции с шагом всего в 150 фемтосекунд. (Для сравнения: луч света, долетающий за 1 секунду от Земли до Луны, за 100 фемтосекунд проходит расстояние, равное толщине человеческого волоса.) Но и при наличии такой технологии реакцию пришлось специально замедлять — иначе удавалось зафиксировать только ее начало и конец.

Передача ионов водорода (протонов) в воде происходит очень эффективно, и ученые давно задумывались о ее механизмах. Первые теоретические соображения по этому поводу были высказаны ровно 200 лет назад немецким химиком Теодором фон Гротгусом, работавшим в Литве. Признание пришло к нему не сразу, но вот уже ровно 100 лет описанный им принцип перемещения ионов с опорой на молекулы воды называют «механизмом Гротгуса».

«Вообразите, что вам надо укрепить дамбу мешками с песком, — поясняет Нибберинг. — Очевидно, что люди, выстроенные в цепочку, доставят мешки к дамбе гораздо эффективнее, чем если каждый будет носить мешки по отдельности. Так вот, скачкообразные движения протонов по цепочке из молекул воды подобны такой передаче мешков от человека к человеку».

Механизм Гротгуса: передача иона водорода по цепочке молекул воды (три последовательные стадии). Ионы гидрония H30+ выделены голубыми квадратами. Пунктирными линиями показаны водородные связи. Изображение с сайта www.fv-berlin.de

Протон не может свободно перемещаться в воде: в растворе он связывается с молекулой воды, образуя ион гидрония — H₃0⁺, или H₂0 х H⁺. Такие ионы, в свою очередь, могут связываться водородными связями с другими молекулами воды, образуя, например, катионы Цунделя (H₂0)₂ х H⁺ и Эйгена (H₂0)₄ х H⁺. Детальные подсчеты последних лет показали, что протон может «перескакивать» от одних молекул воды к другим в те моменты, когда становится возможным образование катиона Цунделя или Эйгена.

Передача иона водорода через молекулу воды от органической кислоты (слева) к карбоксильному основанию (справа). Изображение с сайта www.fv-berlin.de

Проведенный в Германии эксперимент, как сообщается в пресс-релизе MBI, подтвердил то, что до сих пор было лишь теоретическими построениями, показав, что протоны действительно перемещаются между кислотой и основанием по «мосту» из молекул воды. Результаты исследования открывают дорогу к более глубокому пониманию фундаментальных химических и биологических процессов (например, переноса протонов через биомембраны) и имеют потенциал практического применения (например, в топливных элементах).

Работа Нибберинга и его коллег Sequential Proton Transfer Through Water Bridges in Acid-Base Reactions опубликована в журнале Science (vol. 310).

<< Назад