Posted in: Chemie 18. Juni 2009 20:00 Weiter lesen →

Wasser macht die Säure

Foto zeigt eine Rolle Indikatorpapier, darauf abgedruckt eine FarbskalaSalzsäure braucht mindestens vier Wassermoleküle, um sauer wirken zu können. Das belegen ausgeklügelte Experimente, bei denen Bochumer Chemikerinnen die kleinstmöglichen Säuretröpfchen mit einer Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt hergestellt haben.

Foto: Sébastien Bruneau via Wikimedia.org (Public Domain)

Die Versuchsresultate seien nicht nur von theoretischem Interesse, schreibt die Gruppe um Anna Gutberlet und Martina Havenith von der Ruhr-Universität Bochum im Magazin „Science“. Sowohl in der irdischen Stratosphäre als auch im interstellaren Raum liefen Säurereaktionen unter ganz ähnlichen Bedingungen ab.

Typische Säuren wirken sauer, indem sie Wasserstoffkerne freisetzen. Diese können wiederum mit anderen Substanzen reagieren – etwa mit Eisen, das von Säure regelrecht aufgelöst wird, oder mit Eiweiß, das seine Form verliert und ausflockt. Wassermoleküle können den Wasserstoffkern dagegen „in die Mitte nehmen“ und gemeinschaftlich im Zaum halten. Theoretische Arbeiten hatten ergeben, dass dazu mindestens vier Wassermoleküle nötig sind. Göttinger Forscher hatten bereits experimentell zeigen können, dass zwei Wassermoleküle nicht reichen.

Gutberlet, Havenith und Kollegen studierten die Reaktion von Salzsäure (Chlorwasserstoff) mit einer ebenso raffinierten wie eleganten Technik. Dabei wird Helium durch eine Düse in eine Vakuumkammer gepresst, in der es sich schlagartig ausdehnt und auf 0,37 Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Das Edelgas kondensiert es zu winzigen Tröpfchen, bestehend aus rund 8.500 Atomen superflüssigen Heliums. Diese Tröpfchen durchfliegen zwei weitere Kammern, in denen sie einzelne Salzsäure- und Wassermoleküle auflesen. Derart präpariert, werden sie per Infrarotlaser und Massenspektrometer seziert und analysiert.

Grafik zeigt Chlorion als grüne Kugel, Hydroniumion als orange-gelben Dreifuß, dazwischen drei Wassermoleküle als weiß-rote Winkel Drei Wassermoleküle halten das Hydroniumion (gelb-orange) auf Abstand zum Chlorion (grün). Grafik: G. Schwaab/ T. Poerschke

Auf diese Weise konnten die Forscherinnen nicht nur den theoretischen Mindestwert von vier Wassermolekülen bestätigen. Unterstützt durch Modellrechnungen, konnten sie auch den wahrscheinlichen Hergang der Reaktion rekonstruieren. Demnach lagert sich ein Salzsäuremolekül mit bis zu drei Wassermolekülen zu einem flachen Ring zusammen, behält jedoch seinen Wasserstoffkern für sich. Erst dann, wenn das Tröpfchen ein viertes Wassermolekül aufliest, kommt die Säurereaktion in Gang. Das Resultat ist ein positiv geladenes Hydroniumion, das von drei Wassermolekülen auf Abstand zu dem negativ geladenen Chlorion gehalten wird.

Forschung: Anna Gutberlet, Martina Havenith und Dominik Marx, Lehrstuhl für Physikalische Chemie II und Lehrstuhl für Theoretische Chemie, Ruhr-Universität Bochum; und andere

Veröffentlichung Science, Vol. 324, 19 Juni 2009, pp 1545-8, DOI 10.1126/science.1171753

WWW:
AG Martina Havenith-Newen, Uni Bochum
Säuren und Basen

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