Teadlased on esimest korda uurinud, kuidas kaks erinevat vee vormi (orto- ja para-) käituvad keemiliste reaktsioonide ajal erinevalt.
Vesi on keemiline aine, molekul, milles üks hapnikuaatom on seotud kahe vesinikuaatomiga (H2O). Vesi esineb vedelas, tahkes (jää) ja gaasilises (auru) olekus. See on üks väheseid kemikaale, mis ei sisalda süsinikku ja võib toatemperatuuril (umbes 20 kraadi) siiski vedel olla. Vesi on kõikjal levinud ja eluks oluline. Molekulaarsel tasandil on hästi teada, et igapäevane vesi eksisteerib kahes erinevas vormis, kuid see teave pole üldteada. Neid kahte vee vormi nimetatakse isomeerideks ja neid nimetatakse orto- või paraveeks . Nende vormide peamine erinevus on väga peen ja seisneb lihtsalt kahe vesinikuaatomi tuumaspinnide suhtelises orientatsioonis, mis on paigutatud kas samas või vastassuunas, sellest ka nende nimed. See vesinikuaatomite spinn tuleneb aatomifüüsikast, kuigi seda nähtust ei ole veel täielikult mõistetud. Neil kahel vormil on identsed füüsikalised omadused ja seni on arvatud, et neil peaksid olema ka identsed keemilised omadused.
Hiljuti ajakirjas Nature Communications avaldatud uuringus uurisid Hamburgi Baseli ülikooli teadlased esmakordselt nende kahe vee vormi keemilise reaktsiooni erinevust ja tõestasid, et orto- ja para-vormid reageerivad väga erinevalt. Keemiline reaktsioonivõime tähendab viisi või võimet, kuidas molekul keemilise reaktsiooni läbib. Uuring hõlmas vee eraldamist kaheks isomeerseks vormiks (orto- ja para-), kasutades elektrostaatilist deflektorit elektriväljade abil. Kuna mõlemad isomeerid on praktiliselt samad ja neil on identsed füüsikalised omadused, on see eraldusprotsess keeruline ja väljakutseid pakkuv. See teadlaste rühm saavutas eraldamise, kasutades elektriväljadel põhinevat meetodit, mille nad töötasid välja vabade elektronide laseriteaduse jaoks. Deflektor suunab pihustatud vee kiirele elektrivälja. Kuna kahe isomeeri tuumaspinni vahel on oluline erinevus, mõjutab see veidi aatomite interaktsiooni selle elektriväljaga. Seega, kui vesi läbib deflektori, hakkab see jagunema kaheks vormiks - orto- ja para-.
Teadlased on näidanud, et paravesi reageerib umbes 25 protsenti kiiremini kui ortovesi ja suudab reaktsioonipartnerit tugevamalt ligi tõmmata . Seda seletab kindlasti tuumaspinni erinevus, mis mõjutab veemolekulide pöörlemist. Samuti suudab paravee elektriväli ioone kiiremini ligi tõmmata. Oma leidude kinnitamiseks viis rühm läbi ka veemolekulide arvutisimulatsioone. Kõik katsed tehti molekulidega väga madalatel temperatuuridel, peaaegu -273 kraadi Celsiuse juures. See on oluline tegur, nagu autorid selgitavad, et ainult sellistes tingimustes saab molekulide individuaalseid kvantseisundeid ja energiasisaldust hästi määratleda ja paremini kontrollida. See tähendab, et veemolekul stabiliseerub kummaski oma kahest vormist ja nende erinevused muutuvad ilmseks ja selgeks. Seega saab keemiliste reaktsioonide uurimise abil paljastada aluseks olevad mehhanismid ja dünaamika, mis viivad parema arusaamiseni. Selle uuringu praktiline kasutamine ei pruugi aga praegu eriti suur olla.
***
Allikas (d)
Kilaj A jt 2018. Para- ja orto-vee erineva reaktsioonivõime vaatlus püütud diasenüüliumioonide suhtes. Nature Communications . 9(1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
***
