Laddade partiklar i vattenlösningar är alltid omgivna av ett skal av vattenmolekyler. Dock, mycket är fortfarande okänt om arten av detta så kallade hydreringsskal. Med hjälp av terahertz-spektroskopi, kemister från Bochum har fått nya insikter om hur en jon påverkar vattenmolekylerna i sin miljö. Prof Dr Martina Havenith, Dr Gerhard Schwaab och Dr Federico Sebastiani från ordföranden för fysikalisk kemi II vid Ruhr-Universität Bochum (RUB) ger en översikt över resultaten av experimenten i tidskriften Angewandte Chemie i juli 2018.

"Hydratiseringsskalet av joner är extremt viktigt för att förstå grundläggande processer som transport av joner genom membran eller batterier, säger Martina Havenith, talesman för Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation. "Dock, till synes enkla frågor, som storleken på hydratiseringsskalet eller förekomsten av jonparbildning, förblir fortfarande obesvarade."

Nya spektroskopiska metoder utvecklade

Vid Ruhr-Universität Bochum, Martina Haveniths team närmar sig denna fråga med spektroskopiska metoder som utvecklats internt. Forskarna skickar korta pulser av strålning i terahertzområdet, dvs med en våglängd strax under en millimeter, genom provet. Blandningen absorberar strålningen i olika grad i olika frekvensområden, som synliggörs i form av ett spektrum. Spektrum, dvs absorptionsmönstret, avslöjar något om rörelsen av vissa bindningar i de undersökta molekylerna, till exempel om vätebindningar i ett vattennätverk.

Bochum-gruppen utvecklade speciella tekniker med lågfrekvent terahertzstrålning för att bestämma storleken på hydreringsskalet, dvs antalet vattenmolekyler som påverkas av en jon. De bryter matematiskt ner det registrerade absorptionsmönstret till dess komponenter och kan på så sätt identifiera de delar i spektrumet som avslöjar något om enskilda joner eller jonpar.

Löser vattenmolekyler i hydratiseringsskal

Resultatet:Hydrationsskal med en storlek mellan två och 21 vattenmolekyler bestämdes för mer än 37 undersökta salter. Antalet beror till exempel på jonens storlek och dess valens. Enkelladdade joner påverkar vanligtvis färre vattenmolekyler än flerladdade joner. "Dock, detta är inte helt systematiskt, men beror också på vilken katjon eller anjon som finns, " förklarar Martina Havenith.

Forskarna använder sin metod för att bestämma det så kallade effektiva antalet vattenmolekyler, vilket är det minsta antalet vattenmolekyler som påverkas av en jon, det vill säga som inte kan röra sig lika fritt som det opåverkade omgivande vattnet. På grund av den positiva eller negativa laddningen av en jon, vattenmolekylerna med sina delvis positivt laddade väteatomer eller deras delvis negativt laddade syreatom ställer sig i linje med jonen. "Jonens effekt på vattenmolekylerna minskar gradvis med avståndet, Havenith förklarar. "Det finns alltså inte alltid en tydlig gräns mellan påverkade och opåverkade vattenmolekyler." Teamet anger därför ett minimital för storleken på hydratiseringsskalet.

Jonpar studerade

Dock, Bochumgruppen sysslade inte bara med enskilda joner, men också med par av katjoner och anjoner. Vattenmolekylerna påverkar bildandet av jonparet. De kan antingen bilda ett gemensamt hydreringsskal runt de två partnerna eller separata skal runt katjon och anjon. Teamet kan uppskatta hur många vattenmolekyler dessa skal består av. "För att veta hur många vattenmolekyler som omger en järnklorid, det räcker inte att veta hur många vattenmolekyler som påverkas av en enda kloridjon och hur många av en enda järnjon, " förklarar Havenith. Detta är inte en enkel additiv process.

"I allmänhet, våra resultat visar tydligt att kooperativa effekter snarare än individuella jonegenskaper är avgörande, " sammanfattar forskaren. Det räcker därför inte att känna till en enskild jonegenskap för att förutsäga hur ett salt kommer att påverka vattenmolekylerna i sin miljö. Istället olika parametrar, såsom laddningstätheten eller kombinationen av katjon-anjonen kommer att avgöra om ett jonpar bildas.