Direkt zum Inhalt
Schnell oder träge

Zweierlei Moleküle im Wasser

Ein subtiler Unterschied in der Ausrichtung der Kernspins hat dramatische Folgen für sonst identische Wassermoleküle, wie nun ein Experiment zeigt.
Ein Tropfen fällt auf eine Wasseroberfläche.

Alle Wassermoleküle bestehen aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen – und doch gibt es zwei Arten von ihnen. Die Kernspins der beiden Wasserstoffatome können in die gleiche Richtung zeigen, oder aber in entgegengesetzte. Der Unterschied zwischen ortho-Wasser und para-Wasser ist klein, aber durchaus bedeutsam, zeigte jetzt eine Arbeitsgruppe um Stefan Willitsch von der Universität Basel. Wie das Team in »Nature Communications« berichtet, reagieren die beiden verschiedenen Formen von Wasser bei Reaktionen unterschiedlich schnell. Schlüssel des Experiments war eine neue Technik, die beide verschiedene Formen voneinander trennt – dabei durchläuft ein überschallschneller Molekularstrahl aus Wasser ein elektrisches Feld, das ortho-Wasser und para-Wasser unterschiedlich stark ablenkt. Anschließend ließ das Team die Moleküle mit in einer magnetischen Falle gefangenem Diazenylium (N2H+) reagieren – was das para-Wasser mit seinen antiparallelen Kernspins deutlich bereitwilliger tat.

Die beiden Wasservarianten wandeln sich in Gas oder Flüssigkeit dauernd ineinander um; als isolierte Moleküle, zum Beispiel in einem Molekularstrahl, sind sie aber stabil. Trennen lassen sich die beiden Wasservarianten durch ihre leicht unterschiedlichen Dipole in einem elektrischen Feld. Dadurch werden sie von diesem Feld leicht unterschiedlich abgelenkt. Der Effekt ist allerdings so subtil, dass er technisch bisher nicht genutzt werden konnte. Die Spins der Atomkerne sind zwar für chemische Reaktionen eigentlich nicht zuständig, aber sie beeinflussen die Symmetrie des Moleküls, so dass beim ortho-Wasser die niedrigste mögliche Rotationsenergie nicht der Grundzustand, sondern der erste angeregte Zustand ist. Deswegen vermutete die Arbeitsgruppe um Willitsch, dass sich der Unterschied auch in der Reaktionsgeschwindigkeit niederschlägt. Tatsächlich reagiert para-Wasser um knapp ein Viertel schneller, was nach Angaben der Arbeitsgruppe mit Quantensimulationen übereinstimmt.

22/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 22/2018

Lesermeinung

Beitrag schreiben

Wir freuen uns über Ihre Beiträge zu unseren Artikeln und wünschen Ihnen viel Spaß beim Gedankenaustausch auf unseren Seiten! Bitte beachten Sie dabei unsere Kommentarrichtlinien.

Tragen Sie bitte nur Relevantes zum Thema des jeweiligen Artikels vor, und wahren Sie einen respektvollen Umgangston. Die Redaktion behält sich vor, Leserzuschriften nicht zu veröffentlichen und Ihre Kommentare redaktionell zu bearbeiten. Die Leserzuschriften können daher leider nicht immer sofort veröffentlicht werden. Bitte geben Sie einen Namen an und Ihren Zuschriften stets eine aussagekräftige Überschrift, damit bei Onlinediskussionen andere Teilnehmer sich leichter auf Ihre Beiträge beziehen können. Vielen Dank!

Partnervideos