Фізики дізналися, чому вода проводить струм

Учені вперше простежили за тим, як одна молекула води передає протони своєї "сусідці", і розкрили секрет того, чому вода пропускає струм, а інші схожі на неї речовини – не володіють такою властивістю.

Про це йдеться в статті, опублікованій в журналі Science.

"Коли через воду проходить струм, атомам кисню при цьому майже не доводиться рухатися. Цей процес можна порівняти з знаменитою "колискою" Ньютона: набором підвішених кульок, сформованих в лінію. Якщо підняти одну з них і вдарити нею по лінії – тільки кінцеві кульки будуть рухатися, а решта будуть стояти на місці", – розповідає Марк Джонсон (Mark Johnson) з Єльського університету (США).

Дистильована вода, як і багато інших речовин, що складаються з двох неметалічних елементів, є ізолятором, який майже не пропускає електричний струм. Але якщо в воду додати дуже невелику кількість іонів – її електропровідність різко зростає і вона стає повноцінним провідником.

Про те, чому вода проводить струм, вчені сперечаються вже понад два століття.

На початку 19 століття німецький хімік Теодор Гротгус запропонував теорію, яка пояснювала те, чому вода пропускає через себе струм і чому електрика може розкладати її на водень і кисень. Він порахував, що молекули води можуть захоплювати зайві протони і передавати їх один одному завдяки формуванню нових водневих і ковалентних зв'язків та їх швидкого розпаду.

Як розповідає Джонсон, як саме протікає подібна "естафета" і як виглядають молекули води, які беруть участь в обміні протонами, досі ніхто не знав, адже простежити за цим процесом вкрай складно через його швидкоплинність і вкрай малі масштаби.

Єльським хімікам вдалося вирішити цю задачу, виявивши, що подібні реакції уповільнюються і стають помітними для інструментів при виконанні двох умов – охолодження невеликої кількості молекул води майже до абсолютного нуля і використання тільки "важкої" води – молекул, що складаються зі звичайного кисню і дейтерію, важкого ізотопу водню.

Підсвічуючи такі молекули за допомогою променів інфрачервоного лазера і спостерігаючи за змінами в їхньому спектрі, вчені змогли побачити, як вільні іони дейтерію приєднуються до важкої води, і як вони "перестрибують" на сусідню молекулу.

Як показали ці спостереження, такі обміни йдуть не між окремими молекулами води, а між своєрідними "колективами" молекул. Це, у цілому, підтверджує те, що раніше виявили вчені на базі комп'ютерних розрахунків, але не могли довести цього на практиці.

Читайте також: Вчені виявили несподівані властивості води

• Теги:
• Наука
• Технології