I ricercatori hanno studiato per la prima volta come due diverse forme di acqua (orto- e para-) si comportano diversamente quando subiscono reazioni chimiche.
Acqua è un'entità chimica, una molecola in cui un singolo ossigeno l'atomo è legato a due atomi di idrogeno (H2O). Acqua esiste come liquido, solido (ghiaccio) e gassoso (vapori). È tra i pochi prodotti chimici che non contengono carbonio e può ancora essere liquido a temperatura ambiente (circa 20 gradi). Acqua è onnipresente e importante per la vita. A livello molecolare è ben noto che tutti i giorni acqua esiste in due forme diverse ma queste informazioni non sono di dominio pubblico. Queste due forme di acqua sono chiamati isomeri e sono indicati come orto- o para- acqua. La differenza principale tra queste forme è molto sottile ed è semplicemente l'orientamento relativo degli spin nucleari dei due atomi di idrogeno che sono allineati nella stessa direzione o nella direzione opposta, da cui i loro nomi. Questa rotazione degli atomi di idrogeno è dovuta alla fisica atomica sebbene questo fenomeno non sia ancora del tutto compreso. Queste due forme hanno proprietà fisiche identiche e finora si è creduto che dovessero avere anche proprietà chimiche identiche.
In un recente studio pubblicato in Nature Communications, ricercatori dell'Università di Basilea, Amburgo hanno studiato per la prima volta la differenza nella reattività chimica di queste due forme di acqua e hanno dimostrato che le forme orto e para reagiscono in modo molto diverso. Per reattività chimica si intende il modo o la capacità con cui una molecola subisce una reazione chimica. Lo studio prevedeva la separazione di acqua nelle sue due forme isomeriche (orto- e para-) utilizzando un deflettore elettrostatico coinvolgendo campi elettrici. Poiché entrambi questi isomeri sono praticamente uguali e hanno proprietà fisiche identiche, questo processo di separazione è complesso e impegnativo. La separazione è stata ottenuta da questo gruppo di ricercatori utilizzando un metodo basato su campi elettrici da loro sviluppato per la scienza dei laser a elettroni liberi. Il deflettore introduce un campo elettrico in un fascio di acqua nebulizzata. Poiché esiste una differenza cruciale nello spin nucleare dei due isomeri, ciò influisce leggermente sul modo in cui gli atomi interagiscono con questo campo elettrico. Pertanto, mentre l'acqua attraversa il deflettore, inizia a separarsi nelle sue due forme orto- e para-.
I ricercatori hanno dimostrato che para- acqua reagisce circa il 25% più velocemente dell'ortoacqua ed è in grado di attrarre a reazione partner più forte. Ciò è sicuramente spiegato dalla differenza di spin nucleare che influenza la rotazione delle molecole d'acqua. Inoltre, il campo elettrico del paraacqua è in grado di attrarre gli ioni più velocemente. Il gruppo ha inoltre eseguito simulazioni al computer di molecole d'acqua per corroborare le proprie scoperte. Tutti gli esperimenti sono stati condotti con molecole a temperature molto basse, quasi -273 gradi Celsius. Questo è un fattore importante come spiegato dagli autori che solo in tali condizioni i singoli stati quantistici e il contenuto energetico delle molecole possono essere ben definiti e meglio controllati. Ciò significa che la molecola d'acqua si stabilizza quando una delle sue due forme e le loro differenze diventano ovvie e chiare. Pertanto, lo studio delle reazioni chimiche può quindi rivelare i meccanismi e le dinamiche sottostanti che portano a una migliore comprensione. Tuttavia, l'uso pratico di questo studio potrebbe non essere molto elevato in questo momento.
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Fonte (s)
Kilaj A et al 2018. Osservazione di diverse reattività di para e orto-acqua nei confronti degli ioni diazenilio intrappolati. Nature Communications. 9 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
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