OH, das Hydroxidion!

Schnelle Wanderung durch "Weitergabe" der Bindungen

Wasser ist allgegenwärtig und die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Ein einfaches Molekül aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom hält die Forscher jedoch immer noch in Atem. Denn die Vorgänge, die sich auf molekularer Ebene im Wasser abspielen, sind längst nicht in allen Einzelheiten verstanden. So beispielsweise wird die unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeit von Ionen im Wasser immer noch diskutiert. H+ und OH- Ionen, die sich im Wasser bilden oder in Säuren bzw. Laugen in konzentrierter Form vorhanden sind, wandern bis zu zehnmal schneller als "herkömmliche" Salzionen wie Chlorid oder Fluorid. Für das Proton (H+) ist die aktuelle Theorie, dass sich die Ladung via Wasserstoffbrücken durch das dichte Netz an Wassermolekülen hangelt, indem auf einer Seite des Moleküls eine neue O-H Bindung aufgebaut und auf der anderen Seite eine H-O Bindung gelöst wird (de Grotthuss Mechanismus). Eine Erklärung für die beschleunigte Wanderung der Hydroxidionen stand aus, denn bisher war man davon ausgegangen, dass diese Ionen keine Wasserstoffbrücke mithilfe ihres verbliebenen Wasserstoffatoms ausbilden können.

 Bernd Winter und Kollegen von BESSY, Max-Born-Institut, der Universität Uppsala und dem MPI für Dynamik und Selbsorganistation haben nun zeigen können, das Hydroxidionen sehr wohl in der Lage sind als Protonendonoren zu fungieren, wie sie jetzt in Nature berichten (E.F. Aziz, N. Ottosson, M. Faubel, I.V. Hertel, and B. Winter, Nature, 455, 89-91,2008). In ihrer Arbeit zeigen Winter und Kollegen, dass Hydroxidionen nach gezielter Anregung durch Photonen ihre Energie auf benachberte Wassermoleküle übertragen können, sofern diese in einer ganz bestimmten Weise um das Hydroxidion angeordnet sind. Die ebenfalls geladenen Chlorid- und Fluoridionen waren dazu nicht in der Lage.

In ihrem Experiment nutzen die Forscher als erste die Methode der Photoelektronenspektroeskopie in wässrigen Lösungen. Dabei werden die Hydroxidionen mit Photonen einer exakt definierten Wellenlänge (Energie) von der Synchrotornstahlungsquelle BESSY II angeregt. Je nach Energie der Photonen können die Elektronen auf ein höheres Niveau gehoben werden oder sogar aus den Molekülen "heraus katapultiert" werden. Die Energie kann aber auch auf benachbarte Atome oder Moleküle übertragen werden und dort zur Freisetzung von Elektronen führen. Dazu dürfen die Nachbarn jedoch einen bestimmten Abstand nicht überschreiten. Diesen Mechanismus (Interatomic Coulomb Decay) kannte man bisher nur von Atomgruppen (Cluster) in der Gasphase.

Durch Messung der Energie der frei werdenden Elektronen lassen sich Aussagen über die elektronischen Eigenschaften des Moleküls und über den Aufbau der chemischen Bindungen treffen. Für ihre Messungen mussten Winter und Kollegen das Problem umgehen, dass sich die Energien solcher Photoelektronen aufgrund des hohen Dampfdrucks von Wasser nicht detektieren lassen. Dies gelingt erst, wenn das Wasservolumen auf die Größe eines kontinuierlichen Strahls von rund einem Mikrometer - einem Mikrojet - reduziert wird. Mit ihrer Arbeit konnten die Forscher zeigen, dass nicht nur Protonen (H+) sondern auch Hydroxidionen (OH-) ihre Ladung im Wasser von Molekül zu Molekül "weiter reichen" (Strukturdiffusion), während Salzionen wie Chlorid mit ihrer Hülle aus Wassermolekülen durch die Lösung "wandern". Damit ist ein weiteres Detail im "Wasserpuzzle" gelöst.

Mehr dazu in der Originalveröffentlichung
"Interaction between liquid water and hydroxide revealed by core-hole de-exitation"

oder