Researchers have investigated for the first time how two different forms of d'eau (ortho- and para-) behave differently when undergoing chemical reactions.
Eau is a chemical entity, a molecule in which a single oxygène atom is linked to two hydrogen atoms (H2O). Eau exists as liquid, solid (ice) and gas (vapours). It is among the few chemicals which do not contain carbone and still can be liquid at room temperature (about 20 degrees). Eau is ubiquitous and important for life. At the molecular level it is well known that everyday d'eau exists in two different forms but this information is not of common knowledge. These two forms of d'eau are called isomers and are referred to as ortho- or para- d'eau. The main difference between these forms is very subtle and is simply the relative orientation of the nuclear spins of the two hydrogen atoms which are aligned in either same or opposite direction, hence their names. This spin of hydrogen atoms is due to atomic physics though this phenomenon is not yet fully understood. These two forms have identical physical properties and it has been believed so far that they should also then have identical chemical properties.
Dans une étude récente publiée dans Nature Communications, researchers from the University of Basel, Hamburg have for the first time investigated the difference in chemical reactivity of these two forms of d'eau and have proven that ortho- and para- forms react very differently. Chemical reactivity means the way or the ability by which a molecule undergoes a chemical reaction. The study involved separation of d'eau into its two isomeric forms (ortho- and para-) using an electrostatic deflector by involving electric fields. Since both these isomers are practically the same and have identical physical properties, this separation process is complex and challenging. The separation was achieved by this group of researchers by using a method based of electric fields developed by them for Free-Electron Laser Science. The deflector introduces an electric field to a beam of atomized water. Since there is crucial difference in nuclear spin in the two isomers, this slightly impacts the way by which atoms interact with this electric field. Therefore, as the water travels through the deflector it starts separating into its two forms ortho- and para-.
Researchers have demonstrated that para- d'eau reacts around 25 percent faster than ortho-water and its able to attract to a réaction partenaire plus fortement. Ceci s'explique certainement par la différence de spin nucléaire qui influence la rotation des molécules d'eau. De plus, le champ électrique de la paraeau est capable d'attirer les ions plus rapidement. Le groupe a en outre effectué des simulations informatiques de molécules d'eau pour corroborer leurs découvertes. Toutes les expériences ont été réalisées avec des molécules à des températures très basses, près de -273 degrés Celsius. C'est un facteur important comme expliqué par les auteurs que ce n'est que dans de telles conditions que les états quantiques individuels et le contenu énergétique des molécules peuvent être bien définis et mieux contrôlés. Ce qui signifie que la molécule d'eau se stabilise sous l'une ou l'autre de ses deux formes et leurs différences deviennent évidentes et claires. Ainsi, l'étude des réactions chimiques peut alors révéler des mécanismes et des dynamiques sous-jacents conduisant à une meilleure compréhension. Cependant, l'utilisation pratique de cette étude pourrait ne pas être très élevée à l'heure actuelle.
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Sources)
Kilaj A et al 2018. Observation des différentes réactivités de l'eau para et ortho vis-à-vis des ions diazénylium piégés. Communications Nature. 9 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
