Wasser besteht eigentlich aus zwei Flüssigkeiten
Symbolbild: Wasser
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Basel (Schweiz) – Wasser ist nicht gleich Wasser, denn seine Moleküle kommen in zwei verschiedenen Formen mit fast identischen physikalischen Eigenschaften vor. Jetzt ist es Wissenschaftler erstmals gelungen, die beiden Formen zu trennen und dabei zu zeigen, dass sie unterschiedliche chemische Reaktivitäten aufweisen können. In einem Wasserglas befinden sich also genau genommen zwei Flüssigkeiten.
Wie das Team um Prof. Dr. Stefan Willitsch von der Universität Basel gemeinsam mit Kollegen um Prof. Dr. Jochen Küpper vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science im Fachjournal „Nature Communications“ (DOI: 10.1038/s41467-018-04483-3) erläutert, ist Wasser chemisch betrachtet ein Molekül, in dem ein einzelnes Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen verknüpft ist. „Weniger bekannt ist, dass Wasser auf molekularer Ebene in zwei unterschiedlichen Formen (sog. Isomeren) existiert. Die Unterscheidung liegt in der Orientierung der Kernspins der beiden Wasserstoffatome. Je nachdem, ob die Spins der beiden Wasserstoffkerne im Molekül gleich oder entgegengesetzt ausgerichtet sind, spricht man von ortho- oder para-Wasser.
Die Wissenschaftler um Dr. Willitsch haben nun untersucht, wie sich die beiden Formen von Wasser in ihrer chemischen Reaktivität unterscheiden – also in ihrer Fähigkeit, eine chemische Reaktion einzugehen: „Die beiden Isomere haben fast identische physikalische Eigenschaften, was ihre Trennung besonders schwierig macht.“
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Mit einer am Hamburger Institut neu entwickelten und auf elektrischen Feldern beruhenden Trennmethode konnten die Forscher nun erstmals die sozusagen „vorsortierten“ Wasser-Isomere mit ultrakalten Diazenylium-Ionen (sog. protonierter Stickstoff) kontrolliert zur Reaktion bringen. Dabei überträgt ein Diazenylium-Ion einen Wasserstoffkern auf ein Wassermolekül. Diese Reaktion ist auch aus der Chemie des Weltraums bekannt.
Grafische Darstellung der „vorsortierten“ ortho- und para-Wassermoleküle mit unterschiedlich orientierten Kernspins (blaue bzw. rote Pfeile). Diese reagieren unterschiedlich schnell mit Diazenylium-Ionen (Mitte links).
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In den Untersuchungen zeigte sich nun, dass das „para-Wasser“ um rund 25 Prozent schneller reagiert als „ortho-Wasser“: „Dieser Effekt konnte damit erklärt werden, dass der Kernspin auch die Drehbewegung der Wassermoleküle beeinflusst. Als Folge davon herrschen unterschiedlich starke Anziehungskräfte zwischen den Reaktionspartnern. Para-Wasser vermag seine Reaktionspartner stärker anzuziehen als die ortho-Form, was sich in einer erhöhten chemischen Reaktivität auswirkt. Computersimulationen bestätigten diese experimentellen Ergebnisse.“
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Die Pressemitteilung der Universität Basel erläutert weiter: Bei den Experimenten arbeiten die Forschenden mit Molekülen bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (etwa –273 °C). Hier herrschen ideale Bedingungen, um Quantenzustände und damit den Energieinhalt einzelner Moleküle zu definieren und diese kontrolliert zur Reaktion zu bringen. Zum Versuchsaufbau erklärt Willitsch: „Je kontrollierter man die Zustände der beteiligten Partikel einer chemischen Reaktion definieren kann, um so präziser lassen sich auch die zu Grunde liegenden Mechanismen und die Dynamik einer Reaktion untersuchen und verstehen“.
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