Water bestaat uit snel en langzaam van stand wisselende moleculen

Onderzoekers van het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) zijn er onder leiding van dr. Huib Bakker in geslaagd de beweging van individuele watermoleculen in de vloeistof te bestuderen. Er blijken twee varianten te bestaan: snel en langzaam roterende. (Science, 24 oktober).

Met korte, intense laserpulsen die niet langer duren dan 0,1 picoseconde duren (een picoseconde is een miljoenste van een miljoenste van een seconde) brengen de OH-groepen de afzonderlijke watermoleculen aan het trillen. De energie van de pulsen, die evenredig is met de frequentie, bepaalt welke watermoleculen gaan trillen. Zo wordt een aantal watermoleculen als het ware gemerkt.

De onderzoekers gingen na hoe deze gemerkte moleculen in de vloeistof bewegen. Dit deden ze door na de eerste puls een tweede, zwakke puls door het water te sturen waarmee de stand van de gemerkte moleculen wordt gemeten. Wanneer de tweede puls later arriveert, hebben de moleculen meer bewogen en zal hun stand verder veranderd zijn. Door het experiment te herhalen met tijdsvertragingen tussen beide pulsen variërend van 0,1 tot enkele picoseconden, is het mogelijk de beweging van de gemerkte watermoleculen in kaart te brengen.

Om het aantal OH-groepen in het dunne meethoudertje met water te beperken, is in het water deuteriumoxide opgelost. Deuterium is zware waterstof, met een neutron in de atoomkern. Minder OH-groepen in de meetbuis voorkomt dat het water alle laserstraling absorbeert.

Een belangrijke uitkomst van het Amsterdamse onderzoek is dat er twee soorten watermoleculen blijken te bestaan: zij die hun oriëntatie langzaam veranderen en zij die juist zeer snel van stand veranderen. De eerste soort doet er langer dan 10 picoseconden over, de tweede korter dan 1 picoseconde. Verrassend was dat er geen watermoleculen zijn met een draaisnelheid tussen deze waarden.

Een mogelijke verklaring is wellicht het aantal waterstofbruggen waarmee de waterstofmoleculen aan hun buren vastzitten. Een waterstofbrug is de verbinding tussen een waterstof in het ene en een zuurstofatoom in een naburig watermolecuul. Een watermolecuul kan maximaal vier van die bruggen aangaan. De lokale structuur in de vloeistof is te vergelijken met die van ijs: de moleculen zitten vast en kunnen alleen tegelijk met veel andere moleculen draaien, of door het verbreken van een waterstofbrug. Dit zijn relatief langzame processen. Als het watermolecuul maar op twee plaatsen aan buren vastzit kan hij wel snel draaien omdat geen brug verbroken hoeft te worden.

Watermoleculen kunnen chemische reacties versnellen als ze in staat zijn in de buurt van de reactanten snel van stand te veranderen. Slechts een fractie van de watermoleculen, zo is de conclusie van het onderzoek, is maar betrokken bij het versnellen van de reactie. De vraag hoe die fractie vergroot kan worden, is vooral van belang voor processen als katalyse en elektrolyse.

    • Fom Newton News