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"Wasser und Wassermoleküle haben auf viele chemische und biologische
Systeme eine besondere Wirkung und sind für viele ungewöhnliche
Phänomene in der Natur verantwortlich. In der Vergangenheit haben
Wissenschaftler lebhaft darüber spekuliert, ob die Anlagerung oder die
Gegenwart von Wassermolekülen chemische Reaktionen, etwa in der
Gasphase, beeinflussen oder gar beschleunigen kann", erläutert Prof.
Abel. Die Forscher aus Göttingen und Purdue konnten nun belegen, dass
dies der Fall ist für bestimmte Reaktionen, an denen zum Beispiel das
OH-Radikal beteiligt ist. Bei diesem so genannten Hydroxylradikal
handelt es sich um eine der wichtigsten chemischen Verbindungen für
den Abbau von Spurenstoffen in der Atmosphäre.
Die Wissenschaftler haben unter anderem die Reaktion zwischem einem
OH-Radikal und einem polaren Molekül aus der Gruppe der Aldehyde
untersucht. Hier zeigte sich, dass der Reaktionsprozess allein durch
die Anlagerung eines Wassermoleküls an einen der Reaktanden (Aldehyd)
beschleunigt wird. Dabei kommt es zur Ausbildung von spezifischen,
gerichteten Wasserstoffbrücken zwischen den Teilchen, wobei das
Wassermolekül chemisch nicht verändert, verbraucht oder gespalten
wird. Es fungiert als "Reaktionsbeschleuniger", in dem es mit Hilfe
der Wasserstoffbrücken die Barriere absenkt, die im Normalfall die
chemische Reaktion begrenzt. Damit tatsächlich ein katalytischer
Effekt eintritt, muss das Wassermolekül an einer ganz bestimmten
Stelle des Reaktanden positioniert sein. Reaktionsprozesse dieser Art
laufen vielfach in der Atmosphäre der Erde ab.
Die Göttinger Spezialisten haben diese chemischen Reaktionen bei
Temperaturen von bis zu -250 Grad Celsius in einer speziell dafür
konstruierten Lavaldüsenapparatur gemessen. Wie Prof. Abel erläutert,
bieten diese tiefen Temperaturen ideale Bedingungen, um den
katalytischen Einfluss von Wasser auf chemische Reaktionen in der
Gasphase zu untersuchen. Die aufwendigen quantenchemischen Rechnungen,
die für die Lösung des Problems erforderlich waren, wurden in den USA
durchgeführt. Die Wissenschaftler an der Georgia Augusta konnten
schließlich die dynamischen Prozesse im Computer simulieren und den
Effekt quantitativ deuten. Die Forschungsergebnisse bieten nach
Angaben von Prof. Abel neue Ansatzpunkte für das Verständnis von
Reaktionssystemen, an denen Molekül-Cluster beteiligt sind. Darüber
hinaus können sie die Basis bilden für eine Vorhersage von
Geschwindigkeitskonstanten in chemischen Gasphasenreaktionen mit
Wasserdampf, die bisher nicht oder nur schwer zu messen sind.
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