Chemie kann ziemlich unübersichtlich sein. Damit bei einer Reaktion der gewünschte Stoff entsteht, sich zwei Substanzen überhaupt aufeinander einlassen oder gerade nicht, müssen Chemiker zahlreiche Faktoren berücksichtigen. Forscher des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin machen ihnen jetzt eine weitere Stellschraube zugänglich. Sie haben bestimmt, wie stark Elektronen gebunden sind, wenn sie von Wasser aufgenommen werden – und zwar ganz zu Anfang, sobald die negativen Ladungsträger von einem Material wie etwa einem möglichen Reaktionspartner ins Wasser abgegeben werden. Elektronen sind die eigentlichen Akteure in chemischen Reaktionen, weil sie dabei zwischen verschiedenen Atomen verschoben werden. Ob das passiert, hängt von ihrer Bindungsenergie an die unterschiedlichen Komponenten ab. Und bei Reaktionen in wässrigen Lösungen ist die Bindungsenergie eines Elektrons am Anfang des Prozesses, bei dem dieses gelöst wird, ein entscheidender Faktor. Jetzt da er bekannt ist, können Chemiker ihn berücksichtigen, wenn sie Reaktionen planen oder verhindern möchten.

Ein Elektron, das losgelöst von einem Atom oder Molekül im Wasser schwimmt, verhält sich in etwa so wie ein Einsiedlerkrebs ohne Muschel: So wie der Krebs sich schnell eine neue Behausung sucht und dabei mit seinen Artgenossen nicht gerade zimperlich umgeht, will auch das Elektron möglichst schnell wieder bei einem Atom unterschlüpfen und drängt sich dabei in die chemischen Verbindungen, die es im Wasser gerade findet. Daher mischen solche nackten Elektronen bei zahlreichen chemischen Reaktionen mit, wenn Wasser vorhanden ist: in den chemischen Prozessen in biologischen Zellen etwa, oder bei der Entstehung des Ozonlochs und anderen Reaktionen in der Atmosphäre, die in winzigen Wassertröpfchen stattfinden.  

Ehe ein Elektron im Wasser seine neue Bleibe in einem Atom oder Molekül einnimmt, strebt es jedoch erst einmal nach einem notdürftigen Ausgleich für seine negative Ladung, um seine elektronische Blöße zu bedecken. Zu diesem Zweck umgibt es sich mit Wassermolekülen, die positive elektrische Pole besitzen und diese zur negativen Ladung des Elektrons ausrichten. Ist das geschehen, ist das Elektron im Wasser gelöst. Nun hat ein Team um Julia Stähler, Leiterin einer Arbeitsgruppe am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, detaillierte Informationen über den Lösevorgang gewonnen.

Chemiker brauchen die Bindungsenergie des eintauchenden Elektrons

Die Forscher haben zum einen ermittelt, mit welcher Energie das nackte Elektron gebunden ist, unmittelbar nachdem es ins Wasser eintaucht und seine Ladung noch nicht mit den positiven Polen von Wassermolekülen abgepuffert ist. Demnach ist ein solches Elektron deutlich schwächer gebunden als selbst die äußeren Elektronen der Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium, die wegen der niedrigen Bindungsenergie ihrer Elektronen auch schon extrem reaktiv sind. Zum anderen haben die Forscher festgestellt, dass es nur 22 Femtosekunden dauert, bis das Elektron beginnt, Wassermoleküle um sich zu versammeln – eine Femtosekunde ist der Millionste Bruchteil einer Milliardstel Sekunde.

Das enorme Tempo des Prozesses erklärt, warum Wissenschaftler die Bindungsenergie des Elektrons direkt nach seinem Eintauchen ins Wasser bislang nicht messen konnten. „Diese Information ist für Chemiker jedoch wichtig, wenn sie Reaktionen mit gelösten Elektronen fördern oder verhindern wollen“, erklärt Julia Stähler. Denn genau diese Energie entscheidet, ob der erste Schritt einer Reaktion mit gelösten Elektronen stattfindet oder nicht: Wenn eine Substanz ein Elektron ans Wasser abgibt, muss es die Bindungsenergie eines Elektrons mitbringen, das gerade im Wasser eintaucht.

Ein Elektron, das losgelöst von einem Atom oder Molekül im Wasser schwimmt, verhält sich in etwa so wie ein Einsiedlerkrebs ohne Muschel: So wie der Krebs sich schnell eine neue Behausung sucht und dabei mit seinen Artgenossen nicht gerade zimperlich umgeht, will auch das Elektron möglichst schnell wieder bei einem Atom unterschlüpfen und drängt sich dabei in die chemischen Verbindungen, die es im Wasser gerade findet. Daher mischen solche nackten Elektronen bei zahlreichen chemischen Reaktionen mit, wenn Wasser vorhanden ist: in den chemischen Prozessen in biologischen Zellen etwa, oder bei der Entstehung des Ozonlochs und anderen Reaktionen in der Atmosphäre, die in winzigen Wassertröpfchen stattfinden.  

Ehe ein Elektron im Wasser seine neue Bleibe in einem Atom oder Molekül einnimmt, strebt es jedoch erst einmal nach einem notdürftigen Ausgleich für seine negative Ladung, um seine elektronische Blöße zu bedecken. Zu diesem Zweck umgibt es sich mit Wassermolekülen, die positive elektrische Pole besitzen und diese zur negativen Ladung des Elektrons ausrichten. Ist das geschehen, ist das Elektron im Wasser gelöst. Nun hat ein Team um Julia Stähler, Leiterin einer Arbeitsgruppe am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, detaillierte Informationen über den Lösevorgang gewonnen.

Chemiker brauchen die Bindungsenergie des eintauchenden Elektrons

Die Forscher haben zum einen ermittelt, mit welcher Energie das nackte Elektron gebunden ist, unmittelbar nachdem es ins Wasser eintaucht und seine Ladung noch nicht mit den positiven Polen von Wassermolekülen abgepuffert ist. Demnach ist ein solches Elektron deutlich schwächer gebunden als selbst die äußeren Elektronen der Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium, die wegen der niedrigen Bindungsenergie ihrer Elektronen auch schon extrem reaktiv sind. Zum anderen haben die Forscher festgestellt, dass es nur 22 Femtosekunden dauert, bis das Elektron beginnt, Wassermoleküle um sich zu versammeln – eine Femtosekunde ist der Millionste Bruchteil einer Milliardstel Sekunde.

Das enorme Tempo des Prozesses erklärt, warum Wissenschaftler die Bindungsenergie des Elektrons direkt nach seinem Eintauchen ins Wasser bislang nicht messen konnten. „Diese Information ist für Chemiker jedoch wichtig, wenn sie Reaktionen mit gelösten Elektronen fördern oder verhindern wollen“, erklärt Julia Stähler. Denn genau diese Energie entscheidet, ob der erste Schritt einer Reaktion mit gelösten Elektronen stattfindet oder nicht: Wenn eine Substanz ein Elektron ans Wasser abgibt, muss es die Bindungsenergie eines Elektrons mitbringen, das gerade im Wasser eintaucht.


Den Artikel finden Sie unter:

http://www.mpg.de/9086169/elektron-geloest-bindungsenergie

Quelle: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft  (03/2015)


Publikation:
Julia Stähler, Jan-Christoph Deinert, Daniel Wegkamp , Sebastian Hagen und Martin Wolf
Real-Time Measurement of the Vertical Binding Energy during the Birth of a Solvated Electron
Journal of the American Chemical Society, online veröffentlicht 22. Januar 2015; doi: 10.1021/ja511571y