Med hjälp av den unika DESIREE-anläggningen har forskare vid Stockholms universitet och Hebreiska universitetet i Jerusalem för första gången direkt kunnat visualisera de neutrala produkterna av den ömsesidiga neutraliseringen av hydronium och hydroxid, och rapportera tre olika produktkanaler:två kanaler tillskrevs till en dominerande elektronöverföringsmekanism, och en mindre kanal var associerad med protonöverföring.

Tvåstrålekollisionsexperimentet är ett viktigt steg mot att förstå kvantdynamiken i denna grundläggande reaktion. Deras resultat publiceras i tidskriften Science .

Den ömsesidiga neutraliseringen (MN) av hydroniumkatjon, H₃ O ⁺ och hydroxidanjonen, OH ^– att bilda neutrala vattenmolekyler är en av de mest grundläggande kemiska processerna, där MN genom protonöverföring (PT) mellan hydronium- och hydroxidjoner och den omvända reaktionen av vattenautojonisering, eftersom detta styr pH i rent vatten.

Denna process har väckt stort intresse, men direkt experimentell undersökning av de underliggande reaktionsmekanismerna har saknats. Genom att realisera interaktionen i sammanslagna strålar av två joniska arter med nästan noll relativ hastighet, kunde forskarna direkt visualisera de neutrala produkterna av dessa reaktioner och observera tre olika produktkanaler.

Två kanaler tillskrivs en dominerande elektronöverföringsmekanism, och en mindre kanal är associerad med protonöverföring. Tvåstrålekollisionsexperimentet är ett viktigt steg mot att förstå kvantdynamiken i denna grundläggande reaktion.

Ett team av vetenskapsmän ledda av prof. Daniel Strasser vid Hebreiska universitetet i Israel gick tillsammans med ett team ledd av Dr. Richard Thomas vid Stockholms universitet för att undersöka denna reaktion med hjälp av DESIREE-anläggningen. Här skapas hydronium- och hydroxidjonerna oberoende, prepareras och får interagera på ett kontrollerat sätt utan att andra närliggande molekyler stör.

Den ömsesidiga neutraliseringsreaktionen mäts sedan genom slumpdetektering av de individuella neutrala produkterna. I flytande vatten är protonöverföring den enda reaktionsmekanismen, medan i det isolerade systemet dominerar elektronöverföring och protonöverföring är en mindre kanal, men kan fortfarande identifieras i DESIREE.

"Det är spännande att direkt kunna observera konkurrensen mellan elektron- och protonöverföringsmekanismerna i denna reaktion", sa Strasser. Den rapporterade mekanismupplösta interna produktexcitationen, såväl som kollisionsenergi och initialt jontemperaturberoende utgör ett riktmärke för modellering av laddningsöverföringsmekanismer i olika miljöer som innehåller "vattenjoner".

"Det är fantastiskt att vi kan ta en bottom-up-strategi för att ta oss an en av fysikalisk kemins svåraste utmaningar", sa Richard Thomas. "Vi ser fram emot att långsamt lägga till komplexitet tillbaka i experimentet, genom att lägga till en vattenmolekyl i taget, och studera effekten av detta, eftersom elektronöverföringen någon gång måste minska så att protonöverföringskanalen dominerar helt, och vi skulle vilja ta reda på när det är."

"DESIREE-anläggningen var till stor del motiverad av förmågan att studera ömsesidig neutralisering för molekylära joner, och detta är en milstolpe för anläggningen som öppnar ett antal möjligheter för framtida studier av DESIREE-användare", säger Prof. Henning Schmidt, chef för DESIREE-anläggningen och medförfattare på tidningen.

Mer information: Alon Bogot et al, The mutual neutralization of hydronium and hydroxide, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk1950

Tillhandahålls av Hebrew University of Jerusalem