Химики из Германии исследовали процесс диссоциации хлороводорода на ионы в небольших водных кластерах. С помощью квантово-химических расчетов и вращательной спектроскопии ученым удалось установить, что в условиях их эксперимента для диссоциации хлороводорода было необходимо пять или больше молекул воды. Исследование опубликовано в Science.
Эта новость появилась на N + 1 при поддержке Фонда развития научно-культурных связей «Вызов», который был создан для формирования экспертного сообщества в области будущих технологий и развития международных научных коммуникаций
Сильные кислоты нацело диссоциируют в водном растворе на ионы — этому учат еще в школе. Но пронаблюдать за процессом диссоциации на молекулярном уровне очень сложно. Для проведения таких исследований ученые изолируют молекулы кислот с несколькими молекулами воды, а затем анализируют образовавшиеся кластеры разными видами спектроскопии. Из-за того, что чувствительность спектроскопических методов в таких экспериментах довольно низкая, они часто приводят к противоречивым результатам.
Но недавно химикам под руководством Мелани Шнель (Melanie Schnell) из Исследовательского центра DESY удалось подробно изучить поведение водных кластеров хлороводорода с помощью вращательной спектроскопии. Чтобы интерпретировать экспериментальные данные было легче, ученые сначала провели квантово-химические расчеты методами функционала плотности, метадинамики и связанных кластеров, и выяснили структуры наиболее устойчивых кластеров хлороводорода с разным количеством молекул воды. Также они рассчитали энергетические барьеры переходов между разными формами этих кластеров.
Затем, чтобы получить спектральные данные, химики брали раствор хлороводорода в воде — соляную кислоту — и в присутствии неона в качестве газа-носителя впрыскивали смесь паров воды и хлороводорода в вакуумную камеру. При этом смесь газов резко охлаждалась до температуры близкой к абсолютному нулю, и столкновения между молекулами прекращались — в этот момент регистрировался вращательный спектр.
В полученных спектрах ученые обнаружили сигналы водных и хлороводородных кластеров. Им удалось идентифицировать сигналы от кластера HCl(H2O)4, не содержащего отдельных ионов H3O+ и Cl-. А в случае кластеров HCl(H2O)4 и HCl(H2O)7 ученые наблюдали сигналы, соответствующие контактным ионным парам. То есть в этих кластерах хлороводород диссоциировал на отдельные ионы, но они находились поблизости.
Далее, чтобы количественно оценить степень ионности связи водород-хлор в образовавшихся кластерах, химики выяснили константы ядерного квадрупольного взаимодействия для ядер хлора из полученных спектров. А затем с помощью теории Таунса — Дэйли они рассчитали ионный характер связей водород-хлор в спектрально обнаруженных кластерах.
В результате ученые показали, что при низкой температуре и в изоляции от других молекул кластеры HCl(H2O)4 представляют собой ковалентно связанные частицы со значением ионного характера связи около 0,5. Напротив, кластеры с больше чем пятью молекулами воды, как выяснилось, существуют в виде ионных пар. Для них значение ионного характера приближалось к единице.
Ранее мы рассказывали о том, как химики подробно изучили электронную структуру бензола расчетными методами.