Dərslikləri təkzib edən su molekulu kəşfi

Dəniz Suyu Səthinin Gizli Kompleksliyi: Yeni Kəşflər Köhnə Təsəvvürləri Alt-Üst Edir

Sakit bir dəniz suyu səthi yuxarıdan baxanda sadə görünə bilər. Lakin kimyəvi cəhətdən o, heç də sadə deyil. Havayla mayenin qovuşduğu yerdə su molekulları və həll olunmuş ionlar qazların reaksiyaya girməsinə, atmosferdə damcıların yaşlanmasına və cihazlarda elektrik yüklərinin hərəkətinə nəzarət edən xüsusi üsullarla düzülürlər. Uzun müddət kimyaçılar bu sərhədi olduqca səliqəli bir hekayə ilə təsvir edirdilər. Bəzi ionların mayenin üst hissəsinə toplandığı, digərlərinin isə daha dərində qaldığı düşünülürdü. Yaranan yük ayrılması yaxınlıqdakı su molekullarını müəyyən bir istiqamətdə düzən hamar bir elektrik sahəsi yaradırdı. Kembric Universiteti və Almaniyadakı Maks Plank Polimer Tədqiqat İnstitutunun son işləri bu hekayəyə daha yaxından nəzər salır və duzlu suyun real səthinin dərsliklərdəki təsvirdən daha strukturlaşmış və mürəkkəb olduğunu aşkar edir.

Su Molekulları və Dəniz Suyu Səthinin Köhnə Anlayışı

Standart izahata görə, yodid kimi böyük, asanlıqla deformasiya olunan ionlar səthi sevən kimi qəbul edilirdi. Onların suyun üst qatında toplanacağı gözlənilirdi. Florid kimi daha kiçik, daha az çevik ionların isə bu sərhəddən qaçaraq məhlulun daha dərində qalacağı düşünülürdü. Müsbət və mənfi ionlar səthə yaxınlaşdıqda cüzi də olsa ayrılsalar, hidrogen rabitələrini bir istiqamətə yönəltməyə təkan verən elektrik ikili qat – nazik yüklü bir bölgə əmələ gətirərdilər. Bu sxem bir çox ümumi həll olunmuş maddələrə: natrium halogenidlərə, hidroksidə, sulfatlara, perxloratlara və dəniz suyu səthində, eləcə də atmosfer damcılarında tapılan oxşar ionlara tətbiq edilirdi. Təfərrüatlar iondan iona fərqlənsə də, ümumi mənzərə həmin ikili qat ideyasına əsaslanırdı.

Hava-Su Sərhədinin Lazerlə Tədqiqi

Bu mənzərənin nə dərəcədə dəqiq olduğunu yoxlamaq üçün tədqiqatçılar heterodin-aşkar edilmiş vibrasiya sum-tezlik generasiyası (HD-VSFG) adlanan səthə xas bir lazer texnikasına üz tutdular. Müxtəlif rənglərdə iki lazer şüası eyni anda hava-su sərhədinə düşür. Yalnız bu sərhəddə yerləşən su molekulları iki gələn rəngin cəminə bərabər yeni bir şüa yarada bilir, beləliklə, ölçülən siqnal demək olar ki, tamamilə səth bölgəsindən gəlir. Bu siqnal O-H rabitələrinin necə vibrasiya etdiyi haqqında və işarəsi vasitəsilə bu rabitələrin havaya və ya daha dərin mayeyə tərəf yönəlməsinə dair məlumat daşıyır. Onlar ilk olaraq saf suyu tədqiq etdilər. Sərhəddəki spektr hidrogen rabitələri olmayan və səth molekullarından kənara çıxan O-H qruplarından kəskin bir xüsusiyyəti, eləcə də aşağıdakı hidrogen rabitələri ilə bağlı O-H qruplarından geniş bir zolağı göstərdi. Kəskin xüsusiyyət "sərbəst" O-H qruplarının xaricə doğru yönəldiyini göstərirdi, hidrogen rabitələri ilə bağlı qrupların isə əsas maye kütləsinə doğru əyildiyini bildirirdi.

İonların Paylanmasında Gözlənilməz Dəyişikliklər

Güclü turşuların, məsələn, xlorid turşusu və ya perxlorat kimi səth-aktiv anionlara malik duzların həlli bu naxışı aydın şəkildə dəyişdirdi. Kəskin sərbəst O-H piki nəzərəçarpacaq dərəcədə zəiflədi, bu da bu ionların birbaşa ən xarici təbəqəyə keçdiyini və bu açıq O-H qruplarını örtdüyünü göstərdi. Bu şəraitdə ionlar mayenin ən üst hissəsini tutdu və davranış ənənəvi elektrik sahəsi ikili qat şəklinə uyğun gəlirdi, yüklər interfeysdə toplanır və su molekulları onların birləşmiş sahəsinə cavab verirdi. Daha çox rast gəlinən duzlar fərqli davrandılar. Natrium xlorid, natrium florid, natrium bromid, natrium yodid, natrium hidroksid, sezium florid və bir neçə sulfat duzu ehtiva edən məhlullar, yüksək konsentrasiyalarda belə, kəskin sərbəst O-H xüsusiyyətini böyük ölçüdə toxunulmaz saxladı. Bu ölçümlər göstərdi ki, hətta yüksək konsentrasiyalarda belə, suyun ən xarici təbəqəsi əsasən ionsuz qalır. Eyni zamanda, hidrogen rabitələri ilə bağlı O-H qruplarından gələn geniş zolaq güclü şəkildə dəyişdi, forması və gücü hansı ionların mövcudluğundan və məhlulun konsentrasiyasından asılı idi. Beləliklə, ionlar səth təbəqəsini özləri doldurmaq əvəzinə, hava-su sərhədindən bir qədər aşağıda suyu yenidən təşkil edirdilər. Kembricdəki Yusif Həmid Kimya Departamentindən həmmüəllif Dr. Yair Litman izah etdi: "İşimiz göstərir ki, sadə elektrolit məhlullarının səthi əvvəllər düşünüləndən fərqli ionların paylanmasına malikdir və ionla zəngin yeraltı təbəqə interfeysin necə təşkil olunduğunu müəyyən edir: ən üst hissədə bir neçə təbəqə saf su, sonra ionla zəngin təbəqə, sonra nəhayət əsas duz məhlulu yerləşir."

Su Molekulları Təbəqələri və Mürəkkəb Elektrik Sahəsi

Bu təbəqəli bölgədə su molekulları bir hamar elektrik sahəsinə deyil, əsasən yaxınlıqdakı ionlara cavab verirdi. Natrium kimi müsbət yüklü bir ionun ətrafında su molekulları oksigen atomları iona tərəf baxmaqla yönəldilmişdi. Hidroksid və ya halogenid kimi mənfi yüklü bir ionun ətrafında su molekulları digər tərəfə çevrilirdi, hidrogen atomları iona tərəf yönəlirdi. Yeraltı zonada çoxlu ionların olması, su molekullarının bir istiqamətə, digər yamalarda isə əks istiqamətə üstünlük verdiyi yamalar yaratdı. Müxtəlif istiqamətlərə yönəlmiş su molekullarının bu qarışığı HD-VSFG siqnalında mürəkkəb bir naxış yaratdı. Siqnalın bəzi hissələri suyun bir şəkildə qütbləşdiyini, digər hissələri isə suyun əks şəkildə qütbləşdiyini göstərirdi. Suyu əsasən tək bir istiqamətdə itələyən bir geniş elektrik sahəsi olan sadə bir model bu ikili davranışı izah edə bilmədi, lakin ion-kasad və ion-zəngin təbəqələrlə təbəqəli düzülüş bunu bacardı.

Bu Nazik Təbəqə Nə Üçün Vacibdir?

Duzlu dəniz suyu səthi atmosfer kimyasında əsas rol oynayır. Kiçik dəniz duzu damcıları iqlimə və hava keyfiyyətinə təsir edən reaksiyalara ev sahibliyi edir və bu reaksiyaların çoxu hava ilə maye arasındakı sərhəddə və ya ona yaxın yerdə baş verir. İonların paylanması damcının ən üst hissəsində deyil, yeraltı zonada cəmləşdiyinə görə, qazların damcılara daxil olma yolları, turşuların və əsasların orada necə davrandığı və çirkləndiricilərin necə dəyişdiyi köhnə modellərin proqnozlaşdırdığından fərqli ola bilər. Oxşar ideyalar batareyalardakı elektrodlara yaxın elektrolitlərə və canlı hüceyrələrdəki bioloji membranın yaxınlığındakı məhlullara da tətbiq oluna bilər, burada sərhədlərdəki yük paylanmaları enerji və siqnalların hərəkətinə təsir edir. Bu nəticələr hazırkı dərslik modellərinin əksini göstərir, yəni ağır ionların birbaşa səthdə toplanmasını təsəvvür etmək əvəzinə, səthin bir qədər altında suyun hidrogen rabitələrini incə şəkildə yenidən formalaşdıran nazik, təbəqəli bir interfeysi təsəvvür etməliyik.

24 saat