Физики раскрыли секрет того, почему вода проводит ток

Ученые впервые проследили за тем, как одна молекула воды передает протоны своей "соседке", и раскрыли секрет того, почему вода пропускает ток, а другие похожие на нее вещества – не обладают таким свойством, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

"Когда через воду проходит ток, атомам кислорода при этом почти не приходится двигаться. Этот процесс можно сравнить с знаменитой "колыбелью" Ньютона, набором подвешенных шариков, выстроенных в линию. Если поднять один из них и ударить им по линии, только концевые шарики будут двигаться, а остальные будут стоять на месте", — рассказывает Марк Джонсон (Mark Johnson) из Йельского университета (США).

Дистиллированная вода, как и многие другие вещества, состоящие из двух неметаллических элементов, является изолятором, почти не пропускающим электрический ток. Но если в воду добавить даже очень небольшое число ионов, ее электропроводность резко вырастает и она становится полноценным проводником. О том, почему вода проводит ток, ученые спорят уже более двух столетий.

В начале 19 века немецкий химик Теодор Гротгус предложил теорию, которая объясняла то, почему вода пропускает через себя ток и почему электричество может разлагать ее на водород и кислород. Он посчитал, что молекулы воды могут захватывать лишние протоны и передавать их друг другу, подобно палочке в эстафете, благодаря формированию новых водородных и ковалентных связей и их быстрому распаду.

Как рассказывает Джонсон, как именно протекает подобная "эстафета" и как выглядят молекулы воды, участвующие в обмене протонами, до настоящего времени никто не знал, так как проследить за этим процессом крайне сложно из-за его скоротечности и крайне малых масштабов, на которых протекает эта реакция.

Йельским химикам удалось решить эту задачу, обнаружив, что подобные реакции замедляются и становятся видными для инструментов при исполнении двух условий – охлаждения небольшого количества молекул воды почти до абсолютного нуля и использования только "тяжелой" воды – молекул, состоящих из обычного кислорода и дейтерия, тяжелого изотопа водорода.

Подсвечивая такие молекулы при помощи лучей инфракрасного лазера и наблюдая за изменениями в их спектре, ученые смогли увидеть, как свободные ионы дейтерия присоединяются к тяжелой воде, и как они "перепрыгивают" на соседнюю с ней молекулу.

Как показали эти наблюдения, подобные обмены идут не между отдельными молекулами воды, а между своеобразными "коллективами" их молекул, объединяющие в себе четыре молекулы H2O. Это, в целом, подтверждает то, что раньше подозревали ученые на базе компьютерных расчетов, но не могли доказать этого на практике.

Дальнейшее изучение этого процесса, как надеются химики из Йеля, поможет раскрыть другие тайны воды, в том числе ее необычно высокое поверхностное натяжение, и понять, как подобная транспортировка протонов влияет на работу нашего организма и других живых существ.

Джерело