연구자들은 처음으로 두 가지 다른 형태가 어떻게 다른지 조사했습니다. 물 (ortho-와 para-)는 화학 반응이 일어날 때 다르게 행동합니다..
물 화학적 실체, 즉 단일 분자가 들어 있는 분자이다. 산소 원자는 두 개의 수소 원자(H2O)에 연결되어 있습니다. 물 액체, 고체(얼음), 기체(증기)로 존재합니다. 포함하지 않은 몇 안되는 화학 물질 중 하나입니다. 탄소 실온(약 20도)에서도 여전히 액체 상태일 수 있습니다. 물 어디에나 있고 삶에 중요합니다. 분자 수준에서는 매일매일 물 두 가지 다른 형태로 존재하지만 이 정보는 상식이 아닙니다. 이 두 가지 형태의 물 이성질체라고 하며 오르토(ortho) 또는 파라(para)라고 합니다. 물. 이들 형태 사이의 주요 차이점은 매우 미묘하며 단순히 동일하거나 반대 방향으로 정렬되어 있는 두 수소 원자의 핵 스핀의 상대적인 방향, 즉 이름입니다. 이러한 수소 원자의 스핀은 원자 물리학에 기인하지만 이 현상은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 이 두 가지 형태는 동일한 물리적 특성을 갖고 있으며 지금까지는 동일한 화학적 특성도 가져야 한다고 믿어 왔습니다.
최근에 발표 된 한 연구에서 자연 함부르크 바젤 대학의 연구원들은 처음으로 이 두 가지 형태의 화학 반응성의 차이를 조사했습니다. 물 그리고 오르토폼과 파라폼이 매우 다르게 반응한다는 것을 입증했습니다. 화학 반응성은 분자가 화학 반응을 겪는 방식이나 능력을 의미합니다. 이 연구에는 다음과 같은 분리가 포함되었습니다. 물 전기장을 포함시켜 정전기 편향기를 사용하여 두 가지 이성질체 형태(직교 및 파라)로 변환합니다. 이들 두 이성질체는 실질적으로 동일하고 동일한 물리적 특성을 갖기 때문에 이 분리 과정은 복잡하고 까다롭습니다. 이 연구 그룹은 자유 전자 레이저 과학을 위해 개발한 전기장 기반 방법을 사용하여 분리를 달성했습니다. 디플렉터는 원자화된 물 빔에 전기장을 도입합니다. 두 이성질체의 핵 스핀에는 결정적인 차이가 있기 때문에 이는 원자가 전기장과 상호 작용하는 방식에 약간의 영향을 미칩니다. 따라서 물이 디플렉터를 통과하면서 직교 및 파라의 두 가지 형태로 분리되기 시작합니다.
연구자들은 다음과 같은 파라- 물 오르토워터보다 약 25% 더 빠르게 반응하며 반응 더 강력하게 파트너가 됩니다. 이것은 물 분자의 회전에 영향을 미치는 핵 스핀의 차이로 확실히 설명됩니다. 또한 파라워터의 전기장은 이온을 더 빨리 끌어당길 수 있습니다. 그룹은 그들의 발견을 확증하기 위해 물 분자의 컴퓨터 시뮬레이션을 추가로 수행했습니다. 모든 실험은 섭씨 -273도에 가까운 매우 낮은 온도 설정에서 분자로 수행되었습니다. 이것은 이러한 조건에서만 개별 양자 상태와 분자의 에너지 함량이 잘 정의되고 더 잘 제어될 수 있다고 저자가 설명한 중요한 요소입니다. 이는 물 분자가 두 가지 형태 중 하나로 안정화되고 그 차이가 분명하고 명확해진다는 것을 의미합니다. 따라서 화학 반응을 조사하면 기본 메커니즘과 역학을 밝혀 더 나은 이해를 얻을 수 있습니다. 그러나 이 연구의 실제 활용도는 현시점에서 그리 높지 않을 수 있다.
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출처
Kilaj A et al 2018. 갇힌 디아제닐륨 이온에 대한 파라 및 오르토-물의 다양한 반응성 관찰. 자연 통신. 9(1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
