A cosa ci serve capire come si muove un protone nell’acqua

A duecento anni dalla prima teoria che cercava di spiegare come si muove un protone all’interno di un liquido, arriva la conferma sperimentale. L’articolo è stato pubblicato in una prestigiosa rivista di chimica, Angewandte Chemie, e dice sostanzialmente che occorrono tre molecole d’acqua per schermare un protone all’interno del liquido e consentirgli di muoversi. 

---

L’ultima stranezza dell’acqua: può consistere in due fasi

---

Il meccanismo di Grotthuss

La prima intuizione di come avvenisse lo spostamento di cariche in acqua risale all’inizio dell’Ottocento, e porta il nome del chimico Theodor Grotthuss. All’epoca si sapeva a malapena come era fatta una molecola d’acqua, e il meccanismo proposto da Grotthuss era basato solamente su considerazioni geometriche: aveva ipotizzato che, per muoversi, un protone avesse bisogno esattamente di tre molecole d’acqua intorno. L’idea di proseguire sulle tracce dell’intuizione di Grotthuss venne a uno scienziato dell’università Ben Gurion del Neghev, in Israele. La questione ha un’importanza fondamentale in chimica, e in particolare nel ramo della solvatazione, la branca che cerca di comprendere come funzionano le soluzioni dal punto di vista microscopico. L’intuizione di Grotthuss si è rivelata corretta, ma prima d’ora era stata confermata solo a livello teorico, creando modelli e simulazioni al computer.

Perché protone non è libero di muoversi

Per essere sicuri, quindi, mancava la conferma sperimentale. Facciamo un passo indietro però, per capire come mai c’è bisogno di stabilire un legame fra le molecole d’acqua e il protone, affinché questo si muova. In chimica, un protone è equivalente a un singolo nucleo di idrogeno (formato da un protone e un neutrone, ovvero un atomo senza il suo elettrone). Si tratta, a tutti gli effetti, di un campo elettrico molto intenso, carico positivamente, che non può muoversi liberamente in acqua. Non da solo: la sua carica deve essere schermata dalle molecole del liquido stesso. Quante, esattamente, e come fa a muoversi? Sono queste le due domande alle quali lo studio ha tentato di rispondere. L’acqua è formata da molecole elettricamente neutre, ma al suo interno in verità le cariche positive e negative sono separate e, in presenza di un campo elettrico, si orientano di conseguenza: le parti negative vengono attratte e quelle positive respinte, e la molecola risulta polarizzata.

La conferma sperimentale definitiva

Per capire quante molecole d’acqua occorrano per schermare adeguatamente un protone gli scienziati del Max Born Institute in Germania, che hanno collaborato con l’università israeliana per lo studio, hanno costruito un apparato sperimentale ad hoc. L’esperimento consisteva nel bombardare con dei raggi X a bassa energia le molecole d’acqua di una soluzione contenente cariche elettriche positive, per misurare quale energia avessero gli elettroni più esterni dei loro atomi. E, siccome l’energia degli elettroni nelle molecole d’acqua dipende da quante molecole d’acqua sono unite insieme, i risultati hanno permesso di determinare che sono esattamente tre. Tre molecole che servono per schermare un protone. Quanto al moto, poi, gli scienziati hanno capito che non sono le tre molecole a muoversi, ma che il protone crea e distrugge continuamente queste subunità passando da una all’altra per spostarsi. Se dovessimo immaginare uno strato orizzontale di molecole d’acqua e un protone che deve spostarsi da sinistra a destra, potremmo pensare che esso proceda liberandosi di una molecola alla sua sinistra e afferrandone una alla sua destra, tracciando così il cammino che deve percorrere in tempo reale. In questo modo, il protone si assicura di averne sempre tre intorno. Aver definito questo meccanismo è un passo avanti fondamentale nel mondo della chimica, con conseguenze non solo nella comprensione di come funzionano le soluzioni acquose ma anche, ad esempio, in ambiti tecnologici come lo sviluppo di motori a idrogeno. 

Via: Wired.it

Immagine: Martin Str da Pixabay