Salzsäure im WeltallAuf die Reihenfolge kommt es an: ultrakalte Säure-Base-Chemie

Im Weltall herrschen extrem kalte Temperaturen, sodass Wasser in interstellaren Wolken etwa in der Eiskruste von Staubpartikeln gefroren vorkommt. Aber auch alle anderen Gase kondensieren und kristallisieren. Reaktionen laufen unter diesen „Sternenstaub“-Bedingungen viel langsamer ab – ändert sich dadurch auch ihre Kinetik? Diese Frage wurde an der Ruhr-Universität Bochum in einer internationalen Kooperation mit der Radboud Universität in Nimwegen, Niederlande, anhand von Salzsäure untersucht.

Blick ins Weltall.

Ob im interstellaren Reaktionen ablaufen, hängt davon ab, ob die Reaktionspartner sich zusammenlagern und umsortieren oder auf bereits vorhandene Eiskristalle treffen. Foto: © RUB, Lehrstuhl für Astrophysik

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Im interstellaren Raum ist es sehr kalt. Ergeben sich daraus andere Reaktionsabläufe, etwa wenn Salzsäure-Moleküle auf Wasser-Moleküle treffen? Chemikerinnen und Chemiker interessiert daran, wie im interstellaren Raum komplexere Moleküle entstehen konnten.

Merkregel im Labor: Gib das Wasser nie zur Säure

Im Labor gilt, dass eine Verdünnung konzentrierter Säuren stets in der Reihenfolge geschehen soll, dass Wasser vorgelegt wird und die konzentrierte Säure zugegeben wird. Der Grund ist die freiwerdende Solvatisierungsenergie.

Solvatisierung

Werden Lösungsvorgänge näher betrachtet, beginnt das Lösen eines Stoffes auf molekularer Ebene damit, dass sich eine Solvathülle bildet. Moleküle des Lösungsmittels lagern sich an den zu vermischenden Stoff an. Dissoziieren dessen Moleküle, was bei Salzsäure unter normalen Bedingungen in wässriger Lösung sehr schnell geschieht, bilden sich kleine Cluster aus gelösten Teilchen und umgebenden Wassermolekülen. Hier wird entsprechend auch von der Hydrathülle gesprochen. Die Anlagerung erfolgt aufgrund anziehender intermolekularer Wechselwirkungen, sodass bei dem Vorgang Hydratationsenergie frei wird.

Sequenzielle Mikrosolvatisierung: Wasser trifft auf Säure

In der Studie [1] wurden die Experimente in ultrakalten Helium-Nanotropfen durchgeführt. Also bei 0,37 K – nahe dem absoluten Nullpunkt. Damit wurden die Bedingungen im Weltall nachgestellt. Die IR-Spektren wurden mit einem gepulsten Laser aufgenommen. Der Begriff Mikrosolvatisierung beschreibt diese Vorgänge in Systemen mit wenigen Teilchen. In der aktuellen Studie wurde genau untersucht, ob die kleinen Cluster vier oder mehr Wassermoleküle umfassen. Zunächst wurden schrittweise Wassermoleküle in eine Reaktionskammer mit einem Salzsäuremolekül gelassen. Sie lagern sich an zusammen, also aggregieren, und dabei erfolgt die Dissoziation: das Proton wird übertragen. Dabei entsteht ein sogenanntes solvent-shared ion pair, kurz SIP. Als Formel wiedergegeben wird klar, was gemeint ist: H3O+(H2O)3Cl. Trifft Wasser auf die Säure, bildet sich vorübergehend ein Komplex aus der Solvathülle und dem dissoziierenden Ionenpaar (H+ und Cl). Ein fünftes Wassermolekül kann sich ebenfalls anlagern, wobei das Oxonium-Ion (H3O+) intakt bleibt.

Der alternative Reaktionsweg: Säure trifft auf Wasser

Im Eis hingegen bilden sich bereits Cluster, genauer Tetramere aus Wassermolekülen (H2O)4. Ein hinzutretendes Salzsäuremolekül wird nicht mehr eingebunden; dissoziiert infolgedessen nicht. Dieser Reaktionsweg endet im Weltall also in einer Sackgasse. Treffen die Salzsäuremoleküle auf Eiskristalle ist der Protonentransfer von Wassermolekülen auf die Säure energetisch gehindert.

Polare Stratosphärenwolken

Die aktuelle Studie trägt dazu bei, den Reaktionsweg zu klären. Beobachtet wurde bereits, dass sich Salzsäuremoleküle auch in polaren Stratosphärenwolken undissoziiert an Eiscluster anlagern. Diese Wolken bilden sich in mehr als 20 km Höhe, vor allem im polaren Winter, wenn die Temperatur unter –83 °C (190 K) fällt. Sie ragen bis in 29 km Höhe auf und katalysieren die Bildung von Chlor (Cl2). Der Wassergehalt der Luft ist in den polaren Regionen so gering, dass Säuremoleküle kristallisieren und sich das Wasser als Eismantel anlagert. Diese Mischung ist wesentlich am Ozonabbau beteiligt.

Die Frage also, ob die bekannte Säure-Base-Chemie auch bei ultrakalten Reaktionsbedingungen stattfindet, kann nicht mit einem klaren Ja oder Nein beantwortet werden, da die Aggregation und damit Reihenfolge des Zusammentreffens der Reaktanden eine viel größere Rolle spielt.


Material

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Zum Weiterlesen:

[1] Beitrag in Science Advances

Bericht der Ruhr-Universität Bochum mit Film

Polare Stratosphärenwolken

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