Doppelt negativ

Ab einer Anzahl von 83 Wassermolekülen können Tröpfchen zwei Elektronen aufnehmen.

Wissenschaftler am Georgia Institute of Technology und der Tel Aviv University haben grundlegende Mechanismen zur elektrischen Ladung von nanometergroße Wassertröpfchen entdeckt und die Frage geklärt, wie Wasserstoff von bestrahltem Wasser abgegeben wird. Sie fanden durch massenspektroskopische Untersuchungen heraus, dass wenn die Anzahl der Wassermoleküle in einem Cluster 83 übersteigt, das Cluster zwei zusätzliche Überschuss-Elektronen aufnehmen kann. Dadurch wird das Wassertröpfchen doppelt negativ geladen. Für eine einfach negative Ladung reichen sechs Moleküle. Die Wissenschaftler fanden zudem experimentelle und theoretische Belege dafür, dass die beiden Überschuss-Elektronen in Tröpfchen aus mindestens 105 Molekülen an einem Prozess beteiligt sind, in dem Wasser aufgespalten wird, wodurch molekularer Wasserstoff und zwei gelöste Hydroxid-Anionen entstehen.

Abb.: Die zwei Überschuss-Elektronen in einem Wasser Cluster aus 105 Molekülen (durchschnittlicher Durchmesser nahe 2nm) können sich entweder an der Oberfläche auf entgegengesetzten Seiten des Clusters (links) oder im Innern (rechts) anordnen. Die dargestellten Konfigurationen sind mittels Simulationen gewonnen, wobei die Wellenfunktionen der zwei Elektronen (links grün und blau, rechts pink) mit den Wassermolekülen überlagert sind. (Bild: Uzi Landman/Georgia Tech)

Theoretische Analysen zeigten, dass es für die Anordnung der zwei Überschuss-Elektronen zwei dominierende Konfigurationen gibt: gegenüberliegend an der Oberfläche oder im Innern des Clusters in einer Hydrathülle. Zwar finden sich beide Konfigurationen in Clustern mit mindestens 105 Molekülen, doch nur die erste ist stabil für doppelt geladene kleinere Cluster. Die kompakte Zweielektronenverteilung im Innern des Clusters (die in der Abbildung rechts zu sehende Konfiguration) stellt den Beginn der sogenannten Di-Elektron-Wasserstoffbildungs-Reaktion dar. Im weiteren Verlauf dieser Reaktion bilden die Protonen der beiden reagierenden benachbarten Wassermoleküle (etwa in der Mitte des Bildes blau) mit den beiden Elektronen ein Wasserstoffmolekül.

Die Di-Elektron-Wasserstoffbildungs-Reaktion, durch welche die stabile Bindung zwischen den Sauerstoffatomen und den Wasserstoffatomen der Wassermoleküle aufgebrochen werden, produziert also Wasserstoffgas und Hydroxid-Anionen. Damit spielt sie möglicherweise auch eine Rolle bei strahlungsinduzierten Reaktionen mit oxidierter DNS, die der Mutagenese, Krebs und anderen Erkrankungen zugrunde liegt.

MH