Powierzchnia wody ma odczyn kwaśny!

Powierzchnia wody ma odczyn kwaśny!

Czysta woda, o której wiemy, że ma odczyn obojętny okazuje się mieć powierzchnię styku z powietrzem, której pH wynosi 4,8 i mniej – takiego odkrycia dokonał międzynarodowy zespół naukowców pod przewodnictwem Victorii Buch z Hebrew University of Jerusalem.

„Odkrycie to może mieć duże znaczenie dla wielu dyscyplin nauki. W atmosferze ziemskiej wiele reakcji zachodzi na powierzchni wody, przykładem tych reakcji są zjawiska zachodzące w chmurach” – twierdzi Pavel Jungwirth z Czeskiej Akademii Nauk, który pracuje wspólnie z Victorią Buch. „Ponadto kwaśna powierzchnia wody może mieć duże znaczenie dla poznania zjawiska absorpcji dwutlenku wody przez oceany” – dodaje Richard Saykally z University of California w Berkeley w USA. Również w biologii istotne jest określenie wpływu odmiennego pH powierzchni wody, stanowiącej środowisko reakcji dla hydrofobowych części protein oraz zmieniającej równowagę kwasowo-zasadową powierzchni protein. W opinii Gregory’ego Voth’a z University of Utah efekt międzypowierzchniowego obniżenia pH protein oraz membran biologicznych może być bardzo istotny dla poznania zjawisk zachodzących w żywych komórkach.

Od kilku lat naukowców nurtowała odmienność powierzchni wody w porównaniu z wodą badaną w jej wewnętrznych warstwach. Saykally oraz Jungwirth odkryli, że rozpuszczone w wodzie jony różnych substancji chemicznych mogą się gromadzić albo na jej powierzchni, albo w jej wnętrzu. Nie znali oni jednak przyczyny tego zjawiska.

W 2004 roku Voth wraz z współpracownikami posłużył się kwanto-mechaniczną symulacją komputerową do pokazania, że jony hydroniowe (H3O+ - kwasowa postać cząsteczki wody) mają tendencję do gromadzenia się na powierzchni styku wody z powietrzem. W odróżnieniu od cząsteczek wody, które tworzą 4 wiązania wodorowe, jony hydroniowe takich wiązań międzycząsteczkowych tworzyć mogą tylko 3. Trzy atomy jonu hydroniowego mogą tworzyć wiązania wodorowe z innymi cząsteczkami wody, natomiast atom tlenu, na którym gromadzi się ładunek dodatni jonu nie ma możliwości tworzenia wiązań wodorowych - nie stanowi dobrego akceptora atomów wodoru innych cząsteczek wody. Zespół Voth’a doszedł do wniosku, że jon hydroniowy zachowuje się jak amfifilowa cząsteczka (mająca zarówno charakter kwasowy jak i zasadowy) i na powierzchni wody ustawia się podobnie jak cząsteczka mydła hydrofilową stroną (atomy wodoru) w kierunku głębszych warstw wody, natomiast hydrofobową stroną (atom tlenu) ku powietrzu. W 2005 roku Saykally zastosował techniki spektroskopowe do pośredniego zbadania tego zjawiska.

Dopiero jednak zespołowi naukowców pod przew. Victorii Buch udało się dowieść tego, że powierzchnia wody ma odczyn kwaśny. Użyli oni do badań cząsteczki „ciężkiej wody” D2O i zauważyli, że 20 razy szybciej następuje wymiana atomów wodoru na deuter na powierzchni nanokryształków lodu (mających ciekłą powierzchnię) niż w warstwach podpowierzchniowych. Wymiana atomów wodoru na deuter związana jest z występowaniem jonów hydroniowych.

Niestety nadal brakuje techniki, która pozwoliłaby na bezpośrednie dowiedzenie faktu powstawania „kwaśnej” powierzchni czystej wody. Prace trwają…

(pj)