超冷实验揭示水同分异构体有不同的反应速率

可能最熟悉的化学分子,但H2O远非如此简单。现在在瑞士和德国研究人员加入我们对水的复杂性的理解通过证明其旋转异构体的反应在不同的利率。1

所有水分子作为两种自旋异构体存在,取决于单个水分子的两个质子的核自旋平行(昊图公司)或反平行的(帕拉彼此)。在液体中,昊图公司和帕拉水被交换互变的质子。但孤独的分子仍然以一种形式或另一个,,原则上可以分离。

观察不同反应活性的对位和邻位的水向被困diazenylium离子——实验设置的示意图

来源:©巴塞尔大学化学系

不同的自旋状态帕拉和昊图公司与电场水相互作用的不同,可用于分离同分异构体

这些不同形式似乎是化学性质相同,与水分子的氢同位素组成不同,说——但他们实际上有微妙的差异。允许的旋转状态必须满足某些对称性要求根据泡利不相容原理,限制了他们的量子波函数。质子是不可区分的昊图公司而不是形式帕拉形式,这意味着两种形式必须有不同的基态:绝对旋转基态帕拉,第一激发态昊图公司。这些差异在旋转状态下可能表现为不同的碰撞截面,这意味着形式有不同的反应。

但这样做的结果呢?学习的挑战他们的反应是将分离方法与高度敏感的反应实验,”斯蒂芬说Willitsch巴塞尔大学的。这就是他和他的同事现在已经完成:反应昊图公司和帕拉水与diazenylium离子(N2H+)给N2和H3O+——这一过程发生在星际云。

研究人员创建一个分子束的水分子通过发送他们在一个飞机的冷,惰性载气(氩气)通过在超音速喷嘴。他们通过这两个带电板块之间的梁,偏转昊图公司和帕拉分子不同程度。N分离梁被解雇了2H+离子分散在一个云冷钙离子在静电离子阱。

观察不同反应活性的对位和邻位的水向被困diazenylium离子-理论预测

来源:©Willitsch et al .自然通讯,2018年。

反应速度更快帕拉水,因为它有较低的基态转动,导致更少的平均水的电偶极子和加强水和N之间的交互2H+

过了一些时候,离子被释放,产品被送到一个质谱仪进行分析。通过测量H的形成3O+与不同比例的分子束昊图公司/帕拉水,研究人员发现,反应速率较慢的昊图公司形成了约23%。

反应的量子化学计算表明,反应性的差异来自于N之间的静电相互作用2H+离子和水分子的电偶极子。H的旋转运动2O引起后者的平均,而是因为旋转是不同的昊图公司和帕拉水,所以也一般。

”昊图公司水旋转得更快,因此远程ion-dipole交互平均在更大程度上,所以反应伙伴之间的引力弱,Willitsch解释说。这将导致一个更小的影响参数,测量的有效分子的“大小”——活性邂逅的机会昊图公司水。

23%的效果非常显著,Willitsch补充道。在室温下不会重要,分子高度旋转的兴奋,但对气相可能是重要的反应在低温下,星际云。

”这是一个非常有趣的纸,在我看来结果和结论非常良好,”大卫·克莱尔小牛津大学的物理化学家说,30年前预测不同旋转状态的H2啊,应该有不同的反应率。2

引用

1 Kilaj等。,Commun Nat。,2018,9,2096 (DOI:10.1038 / s41467 - 018 - 04483 - 3)

2 D C鼠尾草属的植物,j .化学。Soc。法拉第反式。,1987,83年,139 (DOI:10.1039 / F29878300139)

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