Новости химической науки > Разгадана тайна сольватированных электронов

Исследователи из Германии ответили на вопрос, десятилетиями мучавший ученых – почему в водной среде электроны могут существовать в двух индивидуальных состояниях, одно из которых ассоциируется с молекулами воды прочнее другого.

Исследователи генерировали сольватированные электроны с помощью устройства, генерировавшего микрострую жидкости, активируемую импульсами ультрафиолетового облучения с длиной волны 267нм. Микросепаратор собирает испускаемые электроны, которые анализировались с помощью времяпролетного электронного спектрометра. (Рисунок из Nature Chem., 2010, doi: 10.1038/nchem.580)

Давно известно, что свободные электроны в водном растворе находятся в полости, окруженные, по крайней мере, шестью молекулами воды, и удерживаются за счет системы водородных связей. Энергия связывания таких электронов с сольватной оболочкой оценивается в 3-4 электрон-вольт. Однако наблюдения показывают, что особенности реакционной способности некоторых электронов, находящихся в растворе, позволяют предположить, что их энергия связывания существенно ниже 3-4 эВ.

Исследовательская группа Бернда Абеля (Bernd Abel) из Университета Лейпцига смогли разгадать эту тайну, непосредственно измерив энергию связывания электронов в растворе.

Исследователи из группы Абеля генерировали в вакууме небольшие струи воды и возбуждали их излучением для образования свободных электронов. Струю воды облучали ультрафиолетом, выбивая из молекул электроны, после чего электроны улавливали и измеряли их кинетическую энергию с помощью спектроскопических методов. Различие между энергией падающего потока и энергией электронов определялась как энергия связывания электрона.

Исследователи несколько изменили этот подход. В одном эксперименте они использовали в качестве источника электронов чистую воду – в этом случае поток испускаемых электронов должен выходить с поверхности воды. В другом эксперименте источником электронов была растворенная соль, так как растворенное вещество равномерно распределено по всему объему жидкости, испускаемые им электроны должны выходить из внутренней части водяной струи.

Исследователи продемонстрировали, что энергия связывания поверхностных электронов с сольватным окружением составляет около 1.6 эВ, в то время, как энергия связывания электрон-вода для внутренних электронов составляет 3.3 эВ, что согласуется с проведенной ранее теоретической оценкой.

Абель полагает, что электроны поверхности сольватированы лишь частично. По его словам, они удерживаются в «полуполостях» водородными связями и не могут поступать внутрь жидкости. Важным обстоятельством является то, что энергия сольватации поверхностного электрона близка по значению энергии акцептирования электрона биомолекулами, например, ДНК, что позволяет поверхностным электронам взаимодействовать с такими молекулами.

Эндрю Эллис (Andrew Ellis), специалист по феномену сольватации электрона из Университета Лестера отмечает, что предпринимавшиеся ранее исследования особенностей связывания электронов с кластерами воды в газовой фазе уже давали возможность предполагать существование двух различных типов окружения сольватированного электрона – на поверхности и в глубине жидкости. Однако, при этом интерпретация полученных результатов вызывала серьезные споры. Эллис отмечает, что исследование Абеля, результаты которого были получены благодаря новой экспериментальной технике, демонстрируют адекватность описания сольватации электрона за счет модели двух типов связывания.

Источник: Nature Chem., 2010, doi: 10.1038/nchem.580

метки статьи: #аналитическая химия, #физическая химия, #химия поверхности