En modell for hvordan protoner passerer gjennom vann har blitt bekreftet ved hjelp av røntgenspektroskopi. Forbløffende nok stammer modellen den erstatter tilbake til 1806, til tross for at protoner ikke ble oppdaget før mer enn 100 år senere.
Tidlig på 19th århundre gjorde oppdagelsen av den elektriske cellen mange eksperimenter med elektrisitet mulig, men observasjon gikk foran teorien. Etter å ha oppdaget elektrolyse, kjempet forskerne med å forklare hvordan elektrisk strøm kunne passere gjennom vann. Bemerkelsesverdig nok ga Theodor Grotthuss en løsning som har vist seg eksepsjonelt varig, til tross for de enorme hull i kunnskapen hans.
Likevel har fysikalske kjemikere lenge visst at Grotthuss’ forklaring krever modifikasjon. I 2005, Professor Ehud Pines ved Ben-Gurion University of the Negev presentert hans fremskritt på Grotthuss-mekanismen, men slet med å få aksept for forslaget hans. Nå gir imidlertid en artikkel publisert i Angewandte Chemie støtte for Pines’ teori, og han håper den endelig vil vinne tvilerne.
Ifølge Grotthuss overføres ladning fra ett vannmolekyl til et annet som bøtter mellom mennesker som forsøker å slukke en brann før utviklingen av slangen. Ikke bare visste ikke Grotthuss om protoner, han trodde (i likhet med sine samtidige) den kjemiske formelen for vann var HO, ikke H2O. Likevel har det som har blitt kjent som “protonhopping” forblitt grunnlaget for vitenskapelig tenkning om hvorfor protoner diffunderer så lett i et elektrisk felt i møte med vannmolekylers tilfeldige bevegelser.
Pines har en mer sofistikert versjon, der hvert proton lager et tog av tre vannmolekyler. Som Grommit i Feil bukserforeslår Pine at togene “bygger sporene” foran dem, slik at de kan bevege seg gjennom vann som på skinner, og demontere sporet bak dem for å gjenoppbygge.
Pine erkjenner at han ikke er den første som foreslår noe i denne retningen, men hevder å ha identifisert den sanne molekylære strukturen dannet av protonets tog.
“Debattene om Grotthuss-mekanismen og naturen til protonløsning i vann har blitt varmere,” sa Pines i en uttalelse“ettersom dette er en av de mest grunnleggende utfordringene i kjemi. Å forstå denne mekanismen er ren vitenskap, å flytte grensene for vår kunnskap og endre en av våre grunnleggende forståelser av en av naturens viktigste masse- og ladningstransportmekanismer.”
I møte med en slik tvil, satte Pines sammen et team som utviklet skreddersydd flatjet røntgenutstyr for å observere passasje av protoner gjennom vann. I en erkjennelse av viktigheten som temaet betraktes med blant kjemikere, kostet utstyret alene millioner av dollar, men det europeiske forskningsrådet anså det som verdt investeringen.
Eksperimentet avslørte at hvert proton endrer elektronstrukturen til oksygenatomene i tre vannmolekyler, men i ulik grad, og skaper et tremolekyltog, med mye svakere effekter på fjernere molekyler.
“Alle har tenkt på dette problemet i over 200 år, så det var en tilstrekkelig utfordring for meg til å bestemme meg for å ta det opp,” sa Pines. “Sytten år senere er jeg glad for at jeg mest sannsynlig har funnet og demonstrert løsningen.”
Universitetets kjemibøker bruker fortsatt Grotthuss-mekanismen for å forklare et protons fremgang i vann, og replikering kan være nødvendig før de skifter til “Pines Mechanism”. Ikke desto mindre øker papiret sjansene for et grunnleggende fremskritt.
Med elektrolyse som bærer en god del av verdens forhåpninger om en lavkarbon fremtid, alt som bidrar til en bedre forståelse kan være verdifullt. Mekanismen kan også føre til forbedringer i hydrogenbrenselceller og membrandesign.
Avisen er publisert i anvendt kjemi.