水分子不再只是H2O

作者:狗格格/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-06-06

虽然都是一氧化二氢,但水分子在不同条件下却表现出了不同的状态。

水分子不再只是H2O

图:nantonov/istock

虽然肉眼看不出来,但一杯水中包含了两种不同类型的水分子,它们以微妙不同的方式在旋转着。

最近的一项实验成功地分离了它们,且研究人员发现其中一种水分子的化学反应速度比另一种更快。这种“更优质的水”虽然不至于在市场上引起波动,但这一发现的背后隐藏着一个量子化学的福音。

来自瑞士巴塞尔大学的化学家们利用静电场,根据水分子的核自旋数对它们进行排序。

自旋是粒子的量子性质,描述了它们自由运动的角度。不同类型的粒子可以根据这个属性的值进行分类。

其中一种邻位异构体版本的水分子,组成其原子核的粒子的复合自旋加起来的总值为1。

而另一种对位异构体版本的水分子,它的核自旋总值为0。根据分子中原子运动的基本原理,两种版本的水分子虽然非常相似,但却以不同于对方的方式旋转。

多数情况下,自旋不变,分子作为邻位或对位异构体的身份也不会改变。

问题在于,两种化学式与化学键相同、但结构不同的水分子之间在自旋上的理论差异,是否会对它们和其它物质发生的化学反应造成什么显著的影响?

为了找出答案,研究人员在由钙离子制成的超冷晶体中塞满了二亚胺氮鎓离子(N2H+)。

然后,他们将对位异构体水分子和邻位异构体水分子注射进晶体中心,与二亚胺氮鎓离子进行反应。

通过计算一段时间后晶体中N2H+离子的残留量,研究人员可以测试出哪一种异构体的水分子的化学反应速度更快。

在计算结果时,他们发现,对位异构体水分子扭曲与旋转的现象表明了该类型的水分子比邻位异构体的水分子的化学反应速度快了23%。通过计算机模拟分析数据也证实了这一差异性,即并不是所有的水分子都是以相同的方式运行。

毫无疑问,该研究一发布,马上就会有一些公司以“异构体水分子”制造噱头,售卖“更高级”的矿泉水。

但对我们大多数人来说,水就是水。喝下一杯邻位或对位异构体的水对于你的健康的影响来说并没有什么差别。

但对化学家来说,水分子不再普通,两种异构体在与同一种物质发生化学反应时的差异性会对他们研究水分子的特性有很大的影响。

虽然都是一氧化二氢,但水分子在不同条件下却表现出了不同的状态。

由于目前生命被定义为了复杂的水溶性化学,因此,了解物质如何分解、如何与水分子发生反应,对于我们深入理解生物学及其起源至关重要。

除了水的奇异性,该实验的结果也显示出了我们不断增长的模拟与测试不同量子特性对整个分子的影响的能力。

该研究的主导者、来自巴塞尔大学的化学家Stefan Willitsch说道:“如果能更好地控制参与化学反应的分子的状态,就能更好地研究和理解化学反应的潜在机制和动力学。”

直至最近,科学界才给世界上最精确的化学反应写上了一笔记录——单个钠原子与铯原子的短暂结合。

了解分子的量子特性,以便在如此精细的水平上操纵它们的化学反应性,这是目前化学研究的新前沿。

该研究发布于《Nature Communications》。


蝌蚪五线谱编译自sciencealert.com,译者狗格格,转载须授权 

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