Neue Bindungsart in Wasser entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftlern beobachtete zum ersten mal eine bislang nur theoretisch vorhergesagte Bindung im Wasser. Dabei fanden sie heraus, wie sich Ionen aus Sauerstoff und Wasserstoff mithilfe ihres Wasserstoffatoms an benachbarte Wassermoleküle hängen können.

Illustration des Experiments
Illustration des Experiments

Göttingen - Wasser stellt Wissenschaftlern trotz seiner einfachen Molekülstruktur immer noch ungelöste Rätsel. So zerfallen einige Wassermoleküle in ein positiv geladenes Wasserstoff-Ion und ein negativ geladenes Molekül aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom, das so genannte Hydroxid-Ion. Ein internationales Team um Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation fand nun eine Erklärung für die außergewöhnlich schnelle Fortbewegung dieses Ions im Wasser.

"Das Hydroxid-Ion bewegt sich etwa fünfmal so schnell durch das umgebende Wasser wie gelöste Salz-Ionen", sagt Manfred Faubel vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Eine Erklärung für dieses Phänomen gab es bisher nicht. Dabei ist das Verhalten des Hydroxid-Ions in Wasser für fast alle Anwendungen aus Chemie und Biochemie von entscheidender Bedeutung. Zusammen mit seinem Gegenspieler, dem positiv geladenen Wasserstoff-Ion, bestimmt es etwa den pH-Wert von Lösungen und ist somit auch im Alltagsleben in Seifen, Säften und im sauren Regen allgegenwärtig.

Wassermoleküle gruppieren sich in der Regel aufgrund elektrischer Anziehung zu dritt oder viert. Denn obwohl ein Wassermolekül als Ganzes keine Ladung trägt, ist sein Sauerstoff-Atom negativer geladen als die beiden Wasserstoff-Atome. Das Molekül besitzt deshalb die Fähigkeit, andere Wassermoleküle anzuziehen. Wissenschaftler bezeichnen solche Verbindungen als Wasserstoffbrücken.

Die Forscher haben am Elektronenspeicherring BESSY jetzt mit ihrem Experiment entdeckt, dass das Hydroxid-Ion sein eigenes Wasserstoff-Atom für eine solche Wasserstoffbrücke zur Verfügung stellen kann. Auf diese Weise entsteht ein ganzer Verbund von Wassermolekülen, die sich um das Hydroxid-Ion gruppieren. Innerhalb dieser Struktur kann sich das Ion blitzschnell fortbewegen - ohne wirklich seinen Platz zu verlassen. Denn nicht das Hydroxid-Ion selbst bewegt sich. Ähnlich einem Kugelstoßpendel verlagern sich nur die Bindungen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff, so dass das ursprüngliche Hydroxid-Ion zum Wassermolekül und ein Wassermolekül zum Hydroxid-Ion wird.

In ihrem Experiment lenkten die Forscher die intensiven Röntgenstrahlen, die im Elektronenspeicherring BESSY entstehen, auf einen dünnen Wasserstrahl. "Entscheidend bei dem Versuchsaufbau war es, einen Wasserstrahl zu erzeugen, der etwa 20-mal so dünn war wie ein einzelnes Haar", erklärt Faubel. Nur so konnten die Forscher Elektronen untersuchen, die direkt an der Wasseroberfläche entstanden waren und somit nicht die Gelegenheit hatten, mit anderen Molekülen zu reagieren, wodurch die Messwerte verfälscht worden wären.