Sensor für Wasserstoffbrückenbindungen

Abbildung: Schematische Darstellung eines Wassermoleküls, welches von Acetonitrilmolekülen umgeben ist: Ein flüssiger Mikrojet wurde genutzt, um Röntgenabsorptions- und -emissionsspektren an der Sauerstoff-K-Kante von Wasser-Acetonitril-Mischungen unterschiedlicher Zusammensetzung zu erhalten. Die spektralen Änderungen werden zweifelsfrei der steigenden Zahl gebrochener Wasserstoffbrücken bei sinkender Wasserkonzentration zugeordnet. Das H-Brückennetzwerk flüssigen Wassers kann somit rein experimentell, d. h. ohne theoretische Modellierung, untersucht werden. [Grafik: HZB, Angewandte Chemie]

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Sie geben dem Wasser seine besonderen Eigenschaften, sie sind der Grund für viele biochemische Phänomene und ihre Existenz wird sogar im Chemie-Unterricht behandelt: die Wasserstoffbrückenbindungen. Es sind anziehende Kräfte, die sich zwischen benachbarten Wassermolekülen bilden beziehungsweise allgemeiner ausgedrückt: zwischen einem Wasserstoff-Atom und einem elektronegativen Atom wie Sauerstoff oder Stickstoff. Diese anziehenden Kräfte verändern die Geometrie und die elektronische Struktur des Moleküls. Wenn man flüssige Proben mit Röntgenmethoden untersucht, zeigen sich diese Kräfte in den Röntgenspektren, indem sie die verschiedenen Messsignale (Peaks) beeinflussen.

Kathrin Lange und ihre Kollegen vom HZB haben untersucht, welchen Einfluss die Wasserstoffbrückenbindungen auf ihre Röntgenemissionsspektren haben. Sie haben dazu in einer Messreihe zunächst reines Wasser untersucht und dieses dann zunehmend mit Acetonitril verdünnt. Die Vermischung mit Acetonitril führt zum Aufbrechen des Wasserstoffbrücken-Netzwerks zwischen den Wassermolekülen. Dieses Aufbrechen konnten die Wissenschaftler nun erstmals im Spektrum nachweisen: Sie fanden einen Peak, dessen Intensität innerhalb der Verdünnungsreihe abnahm, wobei die Intensitätsabnahme mit der geringer werdenden Anzahl von Wasserstoffbrückenbindungen korrellierte. Damit konnten sie diesen Peak als einen Sensor für Wasserstoffbrückenbindungen identifizieren.

Die Röntgenspektren haben die Wissenschaftler an der Synchrotronquelle BESSY II des HZB aufgenommen. An dem Messplatz hat die Gruppe um Prof. Emad Aziz dafür eine Mikrojet-Anlage aufgebaut. Erst damit war es möglich, flüssige Proben frei von Membranen mithilfe von Synchrotronstrahlung zu untersuchen.

Kathrin Lange betont, dass ihre Ergebnisse nicht nur für das System Wasser/Acetonitril Bedeutung haben. "Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zum besseren Verständnis der Röntgenemissionspektren von Wasser aber auch ähnlicher Systeme mit Wasserstoffbrückenbindungen."

Kathrin M. Lange, Dr. René Könnecke, Mikhail Soldatov, Ronny Golnak, Prof. Dr. Jan-Erik Rubensson, Prof. Dr. Alexander Soldatov, Prof. Dr. Emad F. Aziz:
On the Origin of the Hydrogen-Bond-Network Nature of Water: X-Ray Absorption and Emission Spectra of Water–Acetonitrile Mixtures.
In: Angewandte Chemie; online veröffentlicht am 14. September 2011, DOI 10.1002/ange.201104161

Quelle: Helmholtz-Zentrum für Materialien und Energie GmbH, Berlin

Aktualisiert am 30.09.2011.

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