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News: Ringen um das Proton

Wie viele Wassermoleküle braucht es, um einer typischen einwertigen Säure ihr Proton zu entziehen? Laut Theorie sind es bei Bromwasserstoff mindestens drei. Doch was sagt das Experiment?
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Die Aufspaltung einer Säure in ihre Bestandteile ist einer der grundlegendsten Prozesse der Chemie. So gibt beispielsweise das farblose, stechend riechende Gas Bromwasserstoff in wässriger Lösung sein positives Wasserstoff-Ion – also ein Proton – ab. Das wiederum wird sofort von einem Wassermolekül aufgeschnappt, sodass sich ein so genanntes Hydronium-Ion (H3O+) bildet, um das sich weitere Wassermoleküle scharen.

Doch wenngleich die theoretische Chemie mittlerweile eine recht gute Vorstellung davon liefert, wie sich die Moleküle bei diesem Protonentransfer arrangieren, so fehlte es doch bislang noch an überzeugenden experimentellen Ergebnissen. Das Problem: Die Reaktion verläuft so schnell, dass Wissenschaftler bisher noch keine Chance hatten, sie zu beobachten.

Vier Forscher der Pennsylvania State University konnten die experimentellen Schwierigkeiten nun offenbar überwinden, indem sie ultrakurze Schnappschüsse des Auflösungsprozesses von HBr in Wasser schossen. "Wir haben Bromwasserstoff gewählt, weil es zum einen ein gutes Modell einer typischen Säure und zum anderen von großem Interesse in vielen Bereichen der Forschung ist", erklärt Welford Castleman. So trägt die Zersetzung des Gases unter anderem zur Zerstörung des Ozons in den oberen Atmosphärenschichten bei.

Um nun den Lösungsprozess zu untersuchen, spritzten die Forscher gasartige Wasserstrahlen in eine Vakuumkammer, in die sie außerdem auf getrenntem Wege auch Bromwasserstoff einleiteten. Dabei beobachteten Castleman und seine Kollegen die Reaktion der Moleküle im überlappenden Bereich der beiden Strahlen mit Femtosekunden-Spektroskopie. Das heißt, ultrakurze Lichtpulse regen zunächst die zu untersuchende Substanz an. Die damit verbundene Veränderung der optischen Eigenschaften wird danach mit einem zeitverzögerten Abtastimpuls erfasst. "Wir untersuchen die Reaktionen zwischen den Molekülen so schnell, wie sie ablaufen, was uns erlaubt, jeden einzelnen Schritt aufzulösen", beschreibt Sean Hurley das Prinzip. "Mit Flugzeit-Massenspektrometrie analysieren wir anschließend die molekularen Produkte, die bei dieser Reaktion entstehen."

Auf diese Weise fanden die Wissenschaftler heraus, dass genau vier Wassermoleküle nötig sind, um in einem ersten Schritt alle Elektronen vollständig auf die Seite des Broms zu ziehen und so die Reaktionssequenz zu starten. Laut theoretischer Berechnungen hätten eigentlich schon drei Moleküle reichen sollen. Das dabei frei werdende Wasserstoff-Ion wird jedenfalls sofort von einem Wassermolekül eingefangen, wobei sich das besagte Hydronium-Ion bildet, um das sich dann die anderen drei Wassermoleküle und das zurückbleibende, negativ geladene Brom-Ion scharen und so einen Cluster bilden. Die endgültige Trennung des Brom-Ions vom Rest des Clusters erfolgt allerdings erst, wenn noch ein fünftes Wassermolekül seinen Platz einnimmt. Auch hier kam die Theorie mit einem Molekül weniger aus – eine kleine Diskrepanz, die sich laut der Forscher durch eine vereinfachende Annahme der Theorie bezüglich der herrschenden Temperaturen erklären lässt.

Da die molekulare Choreographie der Moleküle, Ionen und Protonen ein ganz grundlegender Prozess ist, erwarten Hurley, Castleman und Co Auswirkungen auf ein breites Feld der Naturwissenschaften. So ließen sich vielleicht bestimmte Reaktionen besser als bisher kontrollieren und biologische Prozesse genauer verstehen. Und auch auf den Ozonabbau in der Stratosphäre könnte der Mechanismus ein ganz neues Licht werfen.

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