Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Протоны туннелируют через серию водородных связей между ионами гидроксония и молекулами воды .

Механизм Гроттуса (также известный как прыжок протона ) - это процесс, с помощью которого `` избыточный '' протон или протонный дефект диффундирует через сеть водородных связей молекул воды или других жидкостей с водородными связями посредством образования и сопутствующего разрыва ковалентных связей с участием соседних молекул. .

В своей публикации 1806 года «Теория разложения жидкостей электрическими токами» Теодор Гроттус предложил теорию проводимости воды. [1] Гроттхасс рассматривал электролитическую реакцию как своего рода «линию ведра», где каждый атом кислорода одновременно проходит и принимает один ион водорода. В то время это была удивительная теория, поскольку считалось, что молекула воды представляет собой ОН, а не Н 2 О, а существование ионов не было полностью изучено. К 200-летнему юбилею его статью рецензировал Цукерман. [2]

Хотя Гроттусс использовал неправильную эмпирическую формулу воды, его описание прохождения протонов через взаимодействие соседних молекул воды оказалось пророческим.

Лемонт Киер предположил, что прыжки протонов могут быть важным механизмом нервной трансдукции. [3]

Механизм протонного транспорта и механизм прыжкового протона [ править ]

Механизм Гроттуса - теперь общее название механизма прыжков на протонах. В жидкой воде сольватация избыточного протона идеализируется двумя формами: H 9 O 4 + ( собственный катион ) или H 5 O 2 + ( катион Цунделя ). Хотя считается, что транспортный механизм включает взаимное преобразование между этими двумя сольватными структурами, детали механизма прыжков и транспорта все еще обсуждаются. В настоящее время существует два возможных механизма:

  1. От Эйгена до Зунделя и до Эйгена (E – Z – E) на основе экспериментальных данных ЯМР [4]
  2. Зундель - Зундель (Z – Z) на основе моделирования молекулярной динамики .

Расчетная энергия сольватационных оболочек гидроксония была опубликована в 2007 году, и было высказано предположение, что энергии активации двух предложенных механизмов не согласуются с их расчетной силой водородных связей , но механизм 1 может быть лучшим кандидатом из двух. [5]

Используя условные и зависящие от времени функции радиального распределения (RDF), было показано, что RDF гидроксония может быть разложен на вклады от двух различных структур, Eigen и Zundel. Первый пик в g (r) (RDF) структуры Eigen похож на равновесный стандартный RDF, только немного более упорядоченный, в то время как первый пик структуры Zundel фактически разделен на два пика. Затем было отслежено фактическое событие переноса протона (PT) (после синхронизации всех событий PT, так что t = 0 было фактическим временем события), и было обнаружено, что гидроксоний действительно начинается из собственного состояния и быстро переходит в состояние Цунделя, когда протон переносится, причем первый пик g (r) разделяется на два. [6]

Аномальная диффузия протонов [ править ]

Механизм Гроттуса, наряду с относительной легкостью и малым размером ( ионным радиусом ) протона, объясняет необычно высокую скорость диффузии протона в электрическом поле по сравнению с другими распространенными катионами (таблица 1), движение которых просто связано с к ускорению по полю. Случайное тепловое движение препятствует движению как протонов, так и других катионов. Квантовое туннелирование становится более вероятным, чем меньше масса катиона, а протон является самым легким из возможных стабильных катионов. [ необходима цитата ] Таким образом, квантовое туннелирование оказывает незначительный эффект, хотя он преобладает только при низких температурах.

Таблица 1
КатионПодвижность / см 2 В −1 с −1
NH 4 +0,763 × 10 −3
Na +0,519 × 10 −3
K +0,762 × 10 −3
H +3,62 × 10 −3

Ссылки [ править ]

  1. ^ Де Grotthuss, CJT (1806). "Sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en disolution à l'aide de l'électricité galvanique". Анна. Чим . 58 : 54–73.
  2. ^ Цукерман, Самуэль (2006). "Et tu Grotthuss!". Biochimica et Biophysica Acta . 1757 (8): 876–8. DOI : 10.1016 / j.bbabio.2005.12.001 . PMID 16414007 . 
  3. ^ Кир, Лемонт Б. (2016). «Протонное прыжок как сообщение нервной проводимости». Текущий компьютерный дизайн лекарств . 12 (4): 255–258. DOI : 10.2174 / 1573409912666160808092011 . ISSN 1875-6697 . PMID 27503744 .  
  4. ^ Агмон, Ноам (1995). «Механизм Гроттуса» . Chem. Phys. Lett . 244 (5–6): 456–462. Bibcode : 1995CPL ... 244..456A . DOI : 10.1016 / 0009-2614 (95) 00905-J . Архивировано из оригинала на 2011-07-19 . Проверено 10 апреля 2007 .
  5. ^ Маркович, Омер; Агмон, Ноам (2007). «Строение и энергетика гидратных оболочек гидроксония». J. Phys. Chem. . 111 (12): 2253–6. Bibcode : 2007JPCA..111.2253M . CiteSeerX 10.1.1.76.9448 . DOI : 10.1021 / jp068960g . PMID 17388314 .  
  6. ^ Маркович, Омер; и другие. (2008). «Специальный парный танец и выбор партнера: элементарные шаги в переносе протонов в жидкой воде». J. Phys. Chem. B . 112 (31): 9456–9466. DOI : 10.1021 / jp804018y . PMID 18630857 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Робертс, Шон Т .; и другие. (2011). «Перенос протона в концентрированном водном гидроксиде, визуализированный с помощью сверхбыстрой инфракрасной спектроскопии» (PDF) . Журнал физической химии . 115 (16): 3957–3972. Bibcode : 2011JPCA..115.3957R . DOI : 10.1021 / jp108474p . ЛВП : 1721,1 / 69657 . PMID  21314148 .
  • HL Friedman, Felix Franks, Водные растворы симпольных электролитов