Des chercheurs ont étudié pour la première fois comment deux formes différentes d'eau (ortho- et para-) se comportent différemment lorsqu'elles subissent des réactions chimiques.
L'eau est une entité chimique, une molécule dans laquelle un seul oxygène l'atome est lié à deux Hydrogénation atomes (H2O). L'eau existe sous forme liquide, solide (glace) et gazeuse (vapeurs). Il fait partie des rares produits chimiques qui ne contiennent pas carbone et peut encore être liquide à température ambiante (environ 20 degrés). L'eau est omniprésente et importante pour la vie. Au niveau moléculaire, il est bien connu que l'eau courante existe sous deux formes différentes mais cette information n'est pas de notoriété publique. Ces deux formes d'eau sont appelées isomères et sont appelées ortho- ou para-eau. La principale différence entre ces formes est très subtile et réside simplement dans l'orientation relative des spins nucléaires des deux atomes d'hydrogène qui sont alignés dans la même direction ou dans la direction opposée, d'où leurs noms. Ce spin des atomes d'hydrogène est dû à la physique atomique bien que ce phénomène ne soit pas encore entièrement compris. Ces deux formes ont des propriétés physiques identiques et on a pensé jusqu'à présent qu'elles devraient alors également avoir des propriétés chimiques identiques.
Dans une étude récente publiée dans Nature Communications, des chercheurs de l'Université de Bâle à Hambourg ont pour la première fois étudié la différence de réactivité chimique de ces deux formes d'eau et ont prouvé que les ortho- et para-formes réagissent très différemment. La réactivité chimique désigne la manière ou la capacité par laquelle une molécule subit une réaction chimique. L'étude portait sur la séparation de l'eau en ses deux isomère formes (ortho- et para-) à l'aide d'un déflecteur électrostatique en faisant intervenir des champs électriques. Étant donné que ces deux isomères sont pratiquement les mêmes et ont des propriétés physiques identiques, ce processus de séparation est complexe et difficile. La séparation a été réalisée par ce groupe de chercheurs en utilisant une méthode basée sur des champs électriques développée par eux pour Free-Electron Laser Science. Le déflecteur introduit un champ électrique dans un faisceau d'eau atomisée. Comme il existe une différence cruciale de spin nucléaire dans les deux isomères, cela a un léger impact sur la manière dont les atomes interagissent avec ce champ électrique. Par conséquent, lorsque l'eau traverse le déflecteur, elle commence à se séparer en ses deux formes ortho- et para-.
Les chercheurs ont démontré que la para-eau réagit environ 25 pour cent plus rapidement que l'ortho-eau et qu'elle est capable d'attirer vers un 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
