Geladen deeltjes in waterige oplossingen zijn altijd omgeven door een schil van watermoleculen. Echter, er is nog veel onbekend over de aard van deze zogenaamde hydratatieschelp. Met behulp van terahertz-spectroscopie, scheikundigen uit Bochum hebben nieuwe inzichten gekregen in hoe een ion de watermoleculen in zijn omgeving beïnvloedt. Prof dr. Martina Havenith, Dr. Gerhard Schwaab en Dr. Federico Sebastiani van de leerstoel Physical Chemistry II van Ruhr-Universität Bochum (RUB) geven een overzicht van de resultaten van de experimenten in het tijdschrift Angewandte Chemie in juli 2018.

"De hydratatieschil van ionen is uiterst belangrijk voor het begrijpen van fundamentele processen zoals het transport van ionen door membranen of batterijen, " zegt Martina Havenith, woordvoerder van het Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation. "Echter, schijnbaar simpele vragen zoals de grootte van de hydratatieschil of het optreden van ionenpaarvorming, nog steeds onbeantwoord."

Nieuwe spectroscopische methoden ontwikkeld

Aan de Ruhr-Universität Bochum, Het team van Martina Havenith benadert deze vraag met in-house ontwikkelde spectroscopische methoden. De onderzoekers sturen korte stralingspulsen in het terahertz-bereik, d.w.z. met een golflengte van net onder een millimeter, door het monster. Het mengsel absorbeert de straling in verschillende mate in verschillende frequentiebereiken, die zichtbaar wordt gemaakt in de vorm van een spectrum. Het spectrum, d.w.z. het absorptiepatroon, iets onthult over de beweging van bepaalde bindingen in de onderzochte moleculen, bijvoorbeeld over waterstofbruggen in een waternetwerk.

De Bochum-groep ontwikkelde speciale technieken met behulp van laagfrequente terahertz-straling om de grootte van de hydratatieschaal te bepalen, d.w.z. het aantal watermoleculen dat door een ion wordt beïnvloed. Ze splitsen het geregistreerde absorptiepatroon wiskundig op in zijn componenten en kunnen zo de delen in het spectrum identificeren die iets onthullen over individuele ionen of paren ionen.

Watermoleculen oplossen in hydratatieschaal

Het resultaat:Voor meer dan 37 onderzochte zouten werden hydratatieschelpen met een grootte tussen de twee en 21 watermoleculen bepaald. Het aantal hangt bijvoorbeeld af van de grootte van het ion en zijn valentie. Enkelvoudig geladen ionen beïnvloeden meestal minder watermoleculen dan meervoudig geladen ionen. "Echter, dit is niet helemaal systematisch, maar hangt ook af van het aanwezige kation of anion, ", legt Martina Havenith uit.

De onderzoekers gebruiken hun methode om het zogenaamde effectieve aantal watermoleculen te bepalen, dat is het minimale aantal watermoleculen dat wordt beïnvloed door een ion, dat wil zeggen dat het niet zo vrij kan bewegen als het onaangetaste omringende water. Door de positieve of negatieve lading van een ion, de watermoleculen met hun gedeeltelijk positief geladen waterstofatomen of hun gedeeltelijk negatief geladen zuurstofatoom richten zich op het ion. "Het effect van het ion op de watermoleculen neemt geleidelijk af met de afstand, Havenith legt uit. "Er is dus niet altijd een duidelijke grens tussen aangetaste en niet-aangetaste watermoleculen." Het team specificeert daarom een ​​minimumaantal voor de grootte van de hydratatieschelp.

Ionenparen bestudeerd

Echter, de Bochum-groep hield zich niet alleen bezig met individuele ionen, maar ook met paren kationen en anionen. De watermoleculen beïnvloeden de vorming van het ionenpaar. Ze kunnen ofwel een gezamenlijke hydratatieschil rond de twee partners vormen of afzonderlijke omhulsels rond kation en anion. Het team kan inschatten uit hoeveel watermoleculen deze schelpen elk bestaan. "Om te weten hoeveel watermoleculen een ijzerchloride omringen, het is niet voldoende om te weten hoeveel watermoleculen worden beïnvloed door een enkel chloride-ion en hoeveel door een enkel ijzerion, " legt Havenith uit. Dit is geen eenvoudig additief proces.

"In het algemeen, onze resultaten laten duidelijk zien dat coöperatieve effecten in plaats van individuele ioneigenschappen doorslaggevend zijn, ", vat de onderzoeker samen. Het is daarom niet voldoende om één enkele ioneigenschap te kennen om te voorspellen hoe een zout de watermoleculen in zijn omgeving zal beïnvloeden. verschillende parameters, zoals de ladingsdichtheid of de combinatie van het kation-anion zal bepalen of een ionenpaar wordt gevormd.