Combien de molécules d'eau faut-il pour dissoudre l'acide chlorhydrique ?
Des scientifiques de DESY ont franchi une étape importante dans la compréhension des processus de solvatation de l'acide chlorhydrique (HCl) à l'échelle moléculaire. L'acide chlorhydrique est un acide prototypique souvent utilisé dans la recherche et dans l'industrie. Il joue également un rôle dans la chimie atmosphérique, par exemple dans la croissance et la formation des particules d'aérosol. Une compréhension précise des processus chimiques au niveau moléculaire permet de prévoir la pollution atmosphérique et éventuellement de contrôler les réactions catalytiques.
Le scientifique Fan Xie dans le laboratoire où l'acide chlorhydrique a été testé.
DESY
L'équipe de scientifiques dirigée par Melanie Schnell, scientifique principale de DESY et professeur de chimie physique à l'université de Kiel, a caractérisé la configuration structurelle et électronique d'amas d'acide chlorhydrique et d'eau en mesurant précisément le couplage entre le spin nucléaire du chlore et le moment angulaire total de HCl lié à une quantité croissante de molécules d'eau. Ce couplage est très sensible à l'environnement électronique de l'atome de chlore et donc à sa situation de liaison. Dans une publication récente de la revue scientifique "Science", ils ont révélé qu'au moins cinq molécules d'eau sont nécessaires pour que la molécule de HCl se dissocie spontanément, déclenchée par une configuration de trois liaisons hydrogène.
Les propriétés des substances sont très différentes selon qu'elles sont isolées sous forme gazeuse ou condensée. Par exemple, en phase gazeuse, HCl est une molécule avec une liaison covalente, mais en solution avec de l'eau, HCl se dissocie en un anion de chlore (Cl-) et un cation d'hydrogène (H+), qui se combine avec l'une des molécules d'eau (H2O) environnantes pour former une espèce appelée hydronium, H3O+. En ajoutant une à une des molécules d'eau à l'acide chlorhydrique, les scientifiques obtiennent une meilleure image de la manière dont ce processus de dissociation se produit et de l'évolution de la réactivité en fonction de la taille. Cela est essentiel pour comprendre divers processus chimiques fondamentaux au niveau moléculaire, par exemple la croissance et la formation des particules d'aérosol qui contribuent à la pollution atmosphérique ou les réactions catalytiques sur les surfaces.
HCl est l'un des acides forts les plus couramment utilisés dans la recherche et l'industrie. Des études spectroscopiques pionnières ont permis de caractériser avec succès les structures d'agrégats de HCl contenant jusqu'à trois molécules d'eau. À ce stade de l'agrégation, la dissociation du HCl n'a pas été observée. Avec quatre molécules d'eau ou plus, les calculs théoriques ont prédit la dissociation du HCl. Les hydrates de HCl correspondants ont évolué vers des structures tridimensionnelles avec de nombreuses possibilités d'arrangements distincts et similaires. À température ambiante, ces structures se transforment rapidement l'une en l'autre. Il est donc difficile de saisir et d'analyser ces processus.
Le groupe dirigé par Melanie Schnell a utilisé une expansion supersonique pour geler et isoler les structures des clusters HCl-eau dans le vide. Au cours de cette expansion supersonique, les molécules de HCl et d'eau passent d'un état de haute pression à un état de très basse pression dans une chambre à vide à travers un petit trou d'épingle. Au cours de ce processus d'expansion, les molécules entrent en collision les unes avec les autres et avec un gaz porteur inerte. Ces collisions transforment l'énergie interne des molécules en énergie cinétique hautement dirigée. De cette manière, les molécules deviennent très froides, généralement de 1 à 2 K, c'est-à-dire proches du zéro absolu, et à une température aussi basse, les molécules commencent à se condenser. Elles forment des grappes.
Les grappes de HCl-eau ont été irradiées par des micro-ondes afin d'obtenir leur signature rotationnelle. Ces signatures rotationnelles portent les informations structurelles détaillées des grappes HCl-eau et permettent ainsi d'identifier sans ambiguïté les différents arrangements structurels. Plus important encore, le couplage entre le spin nucléaire du chlore et le moment angulaire des clusters, qui sont associés à ces signatures rotationnelles, peut être révélé par la spectroscopie micro-ondes sous la forme d'une structure hyperfine caractéristique supplémentaire dans les spectres. Cette structure hyperfine est fortement influencée par la distribution des électrons autour du noyau de chlore, c'est-à-dire par sa situation de liaison. Par conséquent, l'analyse de cette structure hyperfine donne des informations directes sur la liaison covalente ou dissociée (ionique) de l'unité H-Cl dans ces clusters - en fonction du nombre de molécules d'eau environnantes.
Cette recherche est étroitement liée aux activités du Centre for Molecular Water Science (CMWS), qui s'intéresse au rôle de l'eau moléculaire dans des environnements aussi divers que le climat, l'énergie et la santé.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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