质子在水中快速跳跃的奥秘解开了

水合质子配合物的电子结构已经用x射线能谱和模拟精确测量。¹新的研究结果让我们深入了解了质子在水中传输过程中发生了什么，可以用来优化氢燃料电池，并了解质子泵在生物系统中的工作原理。

“几十年来，解决水中多余质子的结构和传输机制一直是一个激烈的研究课题，”他说Damien Laage在法国的École normale supérieure Paris，他没有参与这项研究。“这项工作在解开这个挥之不去的谜团方面迈出了一大步。”

Laage解释说，多余的质子在水中比其他阳离子移动得快得多。“这是因为它们可以通过与它们结合的水分子一起移动，也可以通过一种被称为格罗特瑟斯机制的机制移动，在这种机制中，缺陷在水分子之间迅速转移。”但他补充说，在具体过程上仍没有达成共识。

能够确定水合质子的结构对于理解质子在溶液中的输运机制是非常重要的。虽然质子配合物的几何和化学计量学已经被广泛研究，但它们的电子结构仍然难以捉摸。“我们发现水合质子以一种不对称的方式与三个水分子相连，”他说Erik TJ Nibbering来自德国马克斯-伯恩研究所，他联合领导了这项研究。“两个水分子共用一个质子，第三个与之紧密结合，但没有前两个分子那么强。我们的数据表明，这些配合物具有含有H的结构₇O_3.⁺离子作为内部单位。”

研究小组在该中心进行了x射线光谱测量贝西二号设施以确定位于多余质子附近的氧原子的电子结构。“他们以一种新的喷射排列方式测量了水光谱，发现了水合氢离子及其水合水的几个峰值，”评论道诺姆Agmon在以色列耶路撒冷希伯来大学。

科学家们收集了含有不同数量水分子的复合物的光谱，以找出有多少水分子在与质子结合时电子结构发生了显著变化。他们将这些实验与红外光谱测量和分子动力学模拟相结合。

Nibbering解释说，在水中探测水合质子复合物的电子结构是不可能的，因为大量的水分子淹没了复合物的信号。“因此，我们决定在乙腈溶液中探测水合质子配合物。Nibbering指出，复合物在乙腈和水中的表现类似。

Laage解释说:“研究人员表明，水合氢离子与两个相邻的水分子形成了非常强的氢键，而其他更远的水分子大多被质子的电场极化。”“这项研究表明，需要考虑一种含有三个水分子的结构。”

阿格蒙提到，这些新发现与他几年前参与的一个研究小组报告的理论结果一致，²尽管现在有人提出了对这种结构的不同解释。Nibbering说，理论和实验的结合提供了一个更清晰的系统图像。到目前为止，大多数关于质子在水中跳跃的微观机制的研究都依赖于最先进的量子化学分子动力学来描述基本步骤。我们相信，我们的实验和理论研究的结合将是一个动力，不仅为更多的实验，而且为进一步发展质子水化这一迷人话题的理论提供输入。”