Исследователи предложили способ управления переносом ионов водорода в водных растворах

Группа исследователей из Японии, Германии, Швейцарии и Швеции несколько лет назад получила необычный результат. Возбуждая рентгеновскими лучами внутренние электроны атома кислорода гидроксид-иона в водном растворе и наблюдая за динамикой атомов, они обнаружили, что вопреки традиционной диссоциации химических связей, по всей видимости, происходит образование новых. Этот эффект удалось впервые объяснить группе учёных из Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии Сибирского федерального университета. Вместе с экспериментаторами они опубликовали результат в Journal of American Chemical Society.

Директор Центра Сергей Полютов объясняет: «Мы предположили, что особенности, наблюдаемые экспериментаторами в спектрах, связаны с переносом ионов водорода между молекулами воды и гидроксид-ионами».

Такое объяснение кажется неожиданным, поскольку в мировой науке примеры экспериментального наблюдения этого процесса единичны. И это несмотря на то, что механизм переноса ионов водорода активно изучался и обсуждался с тех пор, как более 200 лет назад Теодором Гротгусом была предложена его первая модель.

«Принципиальное отличие наблюдаемого нами эффекта от механизма Гротгуса заключается в том, что он не самопроизвольный, а вызванный рентгеновским изучением. То есть, воздействуя лучами определённой длины волны на атомы кислорода гидроксид-ионов, мы селективно переводим систему в определенное, «ассоциативное» возбужденное состояние, вынуждающее перенос ионов водорода с соседних молекул воды», – пояснил главный научный сотрудник Международного научно-исследовательского центра спектроскопии и квантовой химии СФУ Фарис Гельмуханов.

А это, в свою очередь, открывает новые перспективы в управлении реакциями в водных системах, что имеет огромное значение для применения в различных научных и промышленных областях.

По словам ведущего научного сотрудника Центра Павла Краснова, получить такой результат удалось с помощью квантово-механического моделирования. Учёные апробировали множество различных методов и рассмотрели различные структуры водных кластеров прежде, чем полученные результаты вычислений совпали с достаточной точностью с экспериментальными измерениями.

«Уникальность полученной нами модели заключается не только в демонстрации возможности управлять переносом ионов водорода. Она указывает на то, что область применимости рентгеновской спектроскопии, обладающей специфичной селективностью возбуждать строго определённые электроны, может быть значительно расширена», – рассказал ведущий научный сотрудник Центра Виктор Кимберг.

Красноярские исследователи подчеркнули, что их открытие востребовано в сфере фундаментальных исследований в области химии растворов и открывает новые перспективы для разработки технологий, основанных на водных системах. Оно проливает свет на динамику химических реакций в водных растворах, а это имеет ключевое значение для многих областей от электрохимии и преобразования энергии до фотосинтеза и биологии.