Разгадана двухсотлетняя тайна химических реакций в водных растворах

Компьютерное моделирование позволило объяснить, почему положительные и отрицательные ионы воды распространяются с разными скоростями. Оказалось, что один из типов ионов способствует каскадам прыжков иона водорода, в то время как другой подавляет их. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.

В чистой воде в одинаковых пропорциях находятся ионы двух типов — гидроксид (OH^-) и гидроний (H₃O⁺). Первый заряжен отрицательно и образуется, когда молекула воды теряет один из протонов. Получившийся ион водорода сразу объединяется с другой молекулой воды, в результате чего образуется положительно заряженный гидроний. Динамика этого процесса очень важна для того, чтобы понимать, как протекают химические реакции в водных растворах, а также для кислотно-щелочной химии. Уже на протяжении около двух веков ученые знают, что гидроний диффундирует (то есть проникает в другое вещество при соприкосновении) примерно в два раза быстрее гидроксида, но детального объяснения этого феномена не существовало.

В новой работе американские ученые из Принстона и Университета Темпл использовали последние теоретические достижения, чтобы применить к этой задаче метод функционала плотности. Этот подход использовали и раньше, что сопровождалось рядом значительных ошибок. Это происходило по двум причинам: из-за взаимодействующих электронов и того, что ученые не учитывали далекие слабые межмолекулярные связи. В результате физики смогли подтвердить одну из предложенных ранее гипотез, согласно которой гидроний диффундирует быстрее благодаря согласованным каскадам из двойных и тройных межмолекулярных прыжков протонов, которые становятся возможны в том случае, если в качестве промежуточного состояния воды выступает гидроний.

Согласно результату моделирования, гидроксид как промежуточное звено в транспорте протонов менее эффективен из-за того, что гиперкоординированное состояние с четырьмя водородными связями встречается чаще, чем состояние с тремя связями. Такая структура не способствует каскадам прыжков, вместо этого в ней проходят отдельные переходы ионов. Полученные данные количественно согласуются с экспериментальными наблюдениями, однако вместе с тем остается пространство для улучшения как с точки зрения моделирования, так и со стороны методов обработки информации.