Fysici laten zien hoe zouten water star kunnen maken

Hoe een enkel watermolecuul in elkaar zit en zich gedraagt is goed begrepen. De structuur en dynamica van heel veel watermoleculen bij elkaar, van water dus, is al lastiger te doorgronden. Klaas-Jan Tielrooij van het instituut voor atoom- en molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam zette met collega’s nog een stap: hij bestudeerde het gedrag van watermoleculen in zout water – water in zijn meest voorkomende vorm op aarde dus. In zulk water, zag hij, kunnen watermoleculen ‘verstarren’ (Science, 21 mei).

In zout water hebben de opgeloste zouten zich gesplitst in positief en negatief geladen ionen – zoals Na+ en Cl- in het geval van keukenzout (NaCl). Zulke ionen beïnvloeden natuurlijk de structuur en dynamica van het omringende water, maar hoe en tot hoe ver weg was tot nu toe onduidelijk.

Met ultrakorte infraroodpulsen uit femtosecondelasers (een femto is een miljoenste van een miljardste) hebben Tielrooij en collega’s dat nu in kaart kunnen brengen. Dat is interessant: bijvoorbeeld bij de analyse van chemische reacties in water. Of bij de studie van processen die zich afspelen in de waterige omgeving van biomoleculen als eiwitten, vetten of aminozuren.

In zuiver water houden waterstofbruggen de watermoleculen bij elkaar. De ‘bruggen’ worden geslagen door aantrekkende (dipool)krachten tussen een waterstofatoom (H) en het zuurstofatoom (O) van naburige watermoleculen. Ze zijn losjes genoeg om de watermoleculen nog in allerlei richtingen te laten wentelen – met een rotatiesnelheid van ruwweg één omwenteling per 2,5 picoseconde (miljoenste van een miljoenste seconde).

Opgeloste zouten beperken die bewegingsvrijheid en kunnen watermoleculen zelfs ‘vastzetten’. Bij positief geladen ionen gebeurt dat doordat ze het zuurstofatoom (of: de dipoolas) van een buurwatermolecuul naar zich laten wijzen. Dat watermolecuul kan daarna alleen nog als een propeller om die dipoolas draaien, met zijn waterstofatomen als rotorbladeren.

De buurwatermoleculen van een negatief geladen ion slaan waterstofbruggen die zo stevig zijn, dat ook deze moleculen slechts als een propeller kunnen ronddraaien – om de OH-as, met een waterstofatoom als vleugelblad.

Zo ontstaan rond de ionen stevige schillen die, afhankelijk van de aantrekkingskracht van het ion, tot zes watermoleculen kunnen bevatten. Daarbuiten is water weer gewoon water. Tenzij de positief en negatief geladen ionen allebei een sterke aantrekkingskracht uitoefenen. Tussen zulke ionen ontstaat door allerlei gecombineerde effecten dan een uitgestrekte structuur van rigide water, waarin tot twintig watermoleculen worden vastgelegd.

Margriet van der Heijden