01.06.2018

Warum Wasser nicht gleich Wasser ist

Para- und ortho-Wasser zeigen deutlich unterschiedliche Reaktivität.

Chemisch gesehen ist Wasser ein Molekül, in dem ein einzelnes Sauerstoff­atom mit zwei Wasserstoff­atomen verknüpft ist. Weniger bekannt ist, dass Wasser auf molekularer Ebene in zwei unter­schiedlichen Isomeren existiert. Die Unterscheidung liegt in der Orientierung der Kern­spins der beiden Wasserstoff­atome. Je nachdem, ob die Spins der beiden Wasserstoff­kerne im Molekül gleich oder entgegen­gesetzt ausgerichtet sind, spricht man von ortho- oder para-Wasser.

Abb.: Vorsortierte ortho- und para-Wassermoleküle mit unterschiedlich orientierten Kernspins (blaue bzw. rote Pfeile) reagieren unterschiedlich schnell mit Diazenylium-Ionen (Mitte links). (Bild: U. Basel)

Die Forschungsgruppe um Stefan Willitsch vom Departement Chemie der Universität Basel hat nun unter­sucht, wie sich die beiden Formen von Wasser in ihrer chemischen Reaktivität unter­scheiden – ihrer Fähigkeit, eine chemische Reaktion einzugehen. Die beiden Isomere haben fast identische physikalische Eigenschaften, was ihre Trennung besonders schwierig macht.

Weiter führte hier eine von Jochen Küpper vom Hamburger Center for Free-Electron Laser Science entwickelte Trenn­methode, die auf elektrischen Feldern beruht. Ausgehend davon konnten die Basler Forscher zusammen mit den Hamburger Kollegen die „vorsortierten“ Wasser-Isomere mit ultra­kalten Diazenylium-Ionen („protonierter“ Stickstoff) kontrolliert zur Reaktion bringen. Dabei überträgt ein Diazenylium-Ion einen Wasserstoff­kern auf ein Wasser­molekül. Diese Reaktion ist auch aus der Chemie des Welt­raums bekannt.

Es zeigte sich, dass para-Wasser um rund 25 Prozent schneller reagiert als ortho-Wasser. Dieser Effekt ließ sich damit erklären, dass der Kern­spin auch die Dreh­bewegung der Wasser­moleküle beeinflusst. Als Folge davon herrschen unterschiedlich starke Anziehungs­kräfte zwischen den Reaktions­partnern. Para-Wasser vermag seine Reaktions­partner stärker anzuziehen als die ortho-Form, was sich in einer erhöhten chemischen Reaktivität auswirkt. Computer­simulationen bestätigten diese experimentellen Ergebnisse.

Bei den Experimenten arbeiteten die Forscher mit Molekülen bei sehr tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Null­punkt. Hier herrschen ideale Bedingungen, um Quanten­zustände und damit den Energie­inhalt einzelner Moleküle zu definieren und diese kontrolliert zur Reaktion zu bringen. Zum Versuchs­aufbau erklärt Willitsch: „Je kontrollierter man die Zustände der beteiligten Partikel einer chemischen Reaktion definieren kann, um so präziser lassen sich auch die zu Grunde liegenden Mechanismen und die Dynamik einer Reaktion untersuchen und verstehen.“

U. Basel / DE

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