science >> Wetenschap >  >> Chemie

Aanvankelijke afstoting bij chemische binding sluit latere aantrekking niet uit

Overgang van een zwakke fysieke binding (fysisorptie) naar een sterke chemische binding (chemisorptie).

De filosoof Arthur Schopenhauer formuleerde een metafoor genaamd het stekelvarken dilemma, wat een bepaalde optimale afstand tussen mensen verklaart. Mensen voelen zich alleen op een te grote afstand en ongemakkelijk als ze te dichtbij zijn. Schopenhauer legde de ideale afstand uit aan de hand van de volgende gelijkenis:"Een aantal stekelvarkens kroop bij elkaar voor warmte op een koude dag in de winter; maar toen ze elkaar begonnen te prikken met hun stekels, ze waren verplicht zich te verspreiden. Echter, de kou dreef hen weer samen, toen precies hetzelfde gebeurde. Eindelijk, na vele bochten van ineengedoken en uiteenspatten, ze ontdekten dat ze het beste af waren door op een kleine afstand van elkaar te blijven. Op dezelfde manier, de behoefte van de samenleving drijft de menselijke stekelvarkens samen, alleen om wederzijds afgestoten te worden door de vele stekelige en onaangename eigenschappen van hun aard."

De Nobelprijswinnaar Richard Feynman rapporteerde een soortgelijk fenomeen voor atomen, de basisbouwstenen van materie. Zijn driedelige leerboek, De Feynman-lezingen over natuurkunde , begint met de veronderstelling dat in het geval van een catastrofale gebeurtenis die alle menselijke kennis uitholt, de volgende zin zou de meest bruikbare informatie over de natuur in de kortste vorm bevatten:" ...alle dingen zijn gemaakt van atomen - kleine deeltjes die in eeuwigdurende beweging rondbewegen, elkaar aantrekken als ze een beetje uit elkaar staan, maar afstotend wanneer ze in elkaar worden geperst."

Echter, de aard van de interactie van atomen en moleculen met oppervlakken is nog complexer, zoals de natuurkundige Lenard-Jones al in 1932 ontdekte. In sommige gevallen twee manieren van hechting kunnen optreden:een zwakke hechting, fysisorptie genoemd, en een sterke binding, chemisorptie genoemd. Fysisorptie zorgt ervoor dat stof aan oppervlakken blijft kleven of dat gekko's op muren en plafonds kunnen lopen zonder eraf te vallen. Chemisorptie is 10 tot 100 keer sterker dan fysisorptie. De wisselwerking tussen fysisorptie en chemisorptie is cruciaal voor het reinigen van uitlaatgassen in katalysatoren van auto's en in industriële reactoren die basischemicaliën bouwen door middel van katalytische reacties.

De twee wijzen van adsorptie worden uitgedrukt door een energiecurve die twee minima laat zien. Die energiecurven worden al tientallen jaren weergegeven in leerboeken over fysische chemie en oppervlaktewetenschap, hoewel experimentele toegang beperkt was tot de evenwichtspunten waar fysisorptie en chemisorptie plaatsvinden. Een groep experimentele natuurkundigen van de Universiteit van Regensburg, Ferdinand Huber, Julian Berwanger en Franz J. Giessibl, hebben experimenteel het ontstaan ​​van de energiecurve vastgelegd die betrokken is bij de overgang van fysisorptie naar chemisorptie.

Ze bereikten dit door een CO-molecuul aan de punt van een atoomkrachtmicroscoop te bevestigen en het naar een enkel ijzeratoom te verplaatsen dat op een koperen oppervlak zit en de kracht registreerde die in het proces werkte. Het team omvatte kwantumchemici Svitlana Polyesa, Sergiy Mankovsky en Hubert Ebert van de Ludwig-Maximilians-Universiteit München, die de theoretische verklaring heeft uitgewerkt. Het overwinnen van de energetische barrière tussen fysisorptie en chemisorptie vereist een herschikking van de elektronen (hybridisatie) die de bindingen vormen, zoals is bevestigd in de kwantumchemische berekeningen.

Terugkomend op Schopenhauer en menselijke relaties, het is niet ongehoord dat mensen zich ook zeer aangetrokken kunnen voelen na het overwinnen van een mogelijke aanvankelijke afstoting.