Ученые проследили за химической реакцией, длящейся миллиардную долю секунды

Исследователи из Гарвардского университета и Аргоннской национальной лаборатории (США) изучили один из этапов процесса расщепления молекулы воды на атомы водорода и кислорода. Это позволило им лучше понять механизмы образования химической связи. О результатах своей работы ученые рассказали в статье журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Процесс расщепления молекулы воды состоит из двух этапов. Авторы работы сосредоточились на первом из них — водяном окислении. На этом этапе в результате переноса четырех протонов и четырех электронов между атомами кислорода образуется химическая связь. Для этого в реакции необходим катализатор — в исследуемом случае ученые использовали кобальт.

Эта стадия расщепления воды изучена слабо, потому что процесс совершается очень быстро, меньше миллиардной доли секунды. Чтобы наблюдать за реакцией, авторы исследования применили рентгеновскую абсорбционную спектроскопию на оборудовании Аргоннской национальной лаборатории.

В начале процесса два атома кислорода связываются с двумя ионами кобальта, которые уже связаны с молекулами воды. Реакция начинается, когда ион кобальта получает дополнительный положительный заряд, что повышает его cтепень окисления с трех до четырех. Данный процесс приводит к ослаблению связи в молекуле воды, вследствие чего водород отсоединяется, и ионы кобальта остаются соединенными лишь с атомами кислорода. Сразу после этого кобальт получает освободившийся электрон, а два атома кислорода образуют связь между собой.

Ученым удалось напрямую измерить степень окисления ионов кобальта. На ее основе они рассчитали обменное взаимодействие (характеристику, связанную со спинами электронов, общих для кислорода и кобальта) и обнаружили, что их спины разнонаправлены, то есть электроны антиферромагнитно связаны.

«Антиферромагнитизм важен для образования связей между двумя атомами кислорода, так как он позволяет переносить два электрона, образующих химическую связь», — сказал один из авторов работы, постдок Аргоннской национальной лаборатории Райан Недт.