Jahr der Chemie2011
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Chemische Reaktionen von Gasen an festen Oberflächen sind gut erforscht, während man über ihre weitaus dynamischeren Gegenstücke, die Gas-Flüssigkeit-Grenzflächen, weitaus weniger weiß. Amerikanische Chemikerinnen haben sich jetzt der Frage angenommen, was mit Gasmolekülen an der Oberfläche von Wassertropfen geschieht. Stephanie Ota und Geraldine Richmond, beide von der University of Oregon, untersuchten dazu das Verhalten von Schwefeldioxid: einem Schadstoff, der bei Verbrennungsvorgängen entsteht und in der Atmosphäre eine Reihe von chemischen Reaktionen auslöst. Dabei entsteht unter anderem Schwefelsäure und schweflige Säure, die in Aerosolform das Klima beeinflussen und als saurer Regen Vegetation und Gebäude schädigen.

Diese Reaktion läuft jedoch überwiegend in feinen Wassertropfen anstatt in der Gasphase ab. Folglich muss das Schwefeldioxid in die Tropfen hineingelangen: Dazu bindet das Molekül an die Oberfläche des Tropfens, bevor es hineingezogen und gelöst wird – es entstehen Komplexe, in denen je ein SO2-Molekül mit einem bis drei Wassermolekülen über eine Wasserstoffbrücke verbunden ist. Um diesen Vorgang genauer zu untersuchen, betrachteten die Forscherinnen das Verhalten der Wasser-Schwefeldioxid-Oberflächenkomplexe bei verschiedenen Temperaturen.

Denn wie viele Wassermoleküle an der Oberfläche auf diese Weise Schwefeldioxid binden, hängt stark von der Temperatur ab. Während knapp über dem Gefrierpunkt nahezu alle Wassermoleküle an der Oberfläche an diesen Adsorptionen beteiligt sind, sinkt der Anteil bei höheren Temperaturen deutlich. Indem sie binden, erzwingen die Gasmoleküle eine Veränderung in der Struktur des Wassers: Liegen die nicht an Wasserstoffbrücken zu anderen Wassermolekülen beteiligen Arme des H2O normalerweise meist parallel zur Oberfläche, zwingt das Schwefeldioxid sie nach außen, so dass der Wassertropfen mit radial nach außen weisenden Bindungsstellen bedeckt ist. Die weiteren Reaktionsschritte können nun beginnen. (lf)