Met behulp van de unieke DESIREE-faciliteit zijn onderzoekers van de Universiteit van Stockholm en de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem voor het eerst in staat geweest om de neutrale producten van de wederzijdse neutralisatie van hydronium en hydroxide direct in beeld te brengen, en drie verschillende productkanalen te rapporteren:twee kanalen werden toegeschreven aan een overheersend elektronenoverdrachtsmechanisme, en een kleiner kanaal werd geassocieerd met protonenoverdracht.

Het tweebundelbotsingsexperiment is een belangrijke stap in de richting van het begrijpen van de kwantumdynamica van deze fundamentele reactie. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science .

De wederzijdse neutralisatie (MN) van hydroniumkation, H₃ O ⁺ , en het hydroxide-anion, OH ^– Het vormen van neutrale watermoleculen is een van de meest basale chemische processen, waarbij de MN door protonenoverdracht (PT) tussen hydronium- en hydroxide-ionen en de omgekeerde reactie van waterauto-ionisatie plaatsvindt, aangezien dit de pH van zuiver water regelt.

Dit proces heeft aanzienlijke belangstelling gewekt, maar direct experimenteel onderzoek naar de onderliggende reactiemechanismen heeft tot nu toe ontbroken. Door de interactie in samengevoegde bundels van twee ionensoorten met een relatieve snelheid van bijna nul te realiseren, konden de onderzoekers de neutrale producten van deze reacties direct visualiseren en drie verschillende productkanalen observeren.

Twee kanalen worden toegeschreven aan een overheersend elektronenoverdrachtsmechanisme, en een kleiner kanaal wordt geassocieerd met protonenoverdracht. Het botsingsexperiment met twee stralen is een belangrijke stap in de richting van het begrijpen van de kwantumdynamica van deze fundamentele reactie.

Een team van wetenschappers onder leiding van prof. Daniel Strasser van de Hebreeuwse Universiteit in Israël heeft samen met een team onder leiding van dr. Richard Thomas van de Universiteit van Stockholm deze reactie onderzocht met behulp van de DESIREE-faciliteit. Hier worden de hydronium- en hydroxide-ionen onafhankelijk aangemaakt, geprepareerd en op een gecontroleerde manier met elkaar kunnen interacteren, zonder dat andere nabijgelegen moleculen zich ermee bemoeien.

De wederzijdse neutralisatiereactie wordt vervolgens gemeten door toevalsdetectie van de individuele neutrale producten. In vloeibaar water is protonenoverdracht het enige reactiemechanisme, terwijl in het geïsoleerde systeem de elektronenoverdracht domineert en protonenoverdracht een klein kanaal is, maar nog steeds kan worden geïdentificeerd in DESIREE.

"Het is opwindend om de concurrentie tussen de elektronen- en protonoverdrachtsmechanismen in deze reactie direct te kunnen observeren", aldus Strasser. De gerapporteerde, door mechanismen opgeloste interne productexcitatie, evenals de botsingsenergie en de initiële ionentemperatuurafhankelijkheid vormen een maatstaf voor het modelleren van ladingsoverdrachtsmechanismen in verschillende "waterionen"-houdende omgevingen.

"Het is fantastisch dat we een bottom-up benadering kunnen hanteren om een ​​van de moeilijkste uitdagingen van de fysische chemie aan te pakken", aldus Richard Thomas. "We kijken ernaar uit om langzaam de complexiteit weer aan het experiment toe te voegen, door één watermolecuul tegelijk toe te voegen, en het effect hiervan te bestuderen, omdat op een gegeven moment de elektronenoverdracht zodanig moet afnemen dat het protonenoverdrachtskanaal volledig domineert, en we willen graag weten wanneer dat is."

"De DESIREE-faciliteit werd voor een groot deel gemotiveerd door het vermogen om de wederzijdse neutralisatie van moleculaire ionen te bestuderen, en dit is een mijlpaal voor de faciliteit die een aantal mogelijkheden opent voor toekomstig onderzoek door DESIREE-gebruikers", aldus prof. Henning Schmidt, directeur van de DESIREE-faciliteit, en co-auteur van het artikel.

Meer informatie: Alon Bogot et al., De wederzijdse neutralisatie van hydronium en hydroxide, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adk1950

Aangeboden door de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem