Wenn Sie die Standard-Wasserstoffatome im Eis durch eine schwerere Variante ersetzen, passiert etwas Seltsames. Das von den Molekülen eingenommene Volumen nimmt um 0,1 % zu. Der Leidener Chemiker Jörg Meyer und seine Kollegen haben ein theoretisches Modell entwickelt, das dieses Verhalten beschreibt. Ihre Forschung erschien auf dem Cover der Journal of Physical Chemistry Letters.
Das von einem bestimmten Molekültyp eingenommene Volumen ändert sich, wenn Sie die vorhandenen Atome durch eine schwerere Variante ersetzen. Dieser Effekt wird als Volumenisotopeneffekt, abgekürzt VIE, bezeichnet. Varianten eines chemischen Elements mit unterschiedlichen Gewichten werden Isotope genannt. Zum Beispiel haben Sie „normalen“ Wasserstoff und „Deuterium“, ein Wasserstoffatom, das aufgrund der Hinzufügung eines Neutrons in seinem Kern schwerer ist.
Die meisten Materialien haben einen normalen VIE, bei dem das Volumen einer bestimmten Menge an Molekülen abnimmt, wenn Sie leichte Isotope durch schwerere ersetzen. „Bei der häufigsten Form von Eis auf der Erde nimmt das Volumen sogar zu“, sagt Meyer. „Das ist kontraintuitiv. Einfach ausgedrückt, schwerere Isotope schränken die Schwingungen von Molekülen in einem Material ein. Infolgedessen benötigen die Moleküle weniger Platz, um sich zu bewegen, und das Volumen nimmt ab. Aber bei Eis scheint das Volumen seltsamerweise zuzunehmen Wasserstoff durch Deuterium ersetzen: das schwerere Isotop.“
Sechseckige Eiskristalle
Die Forscher konzentrierten sich auf Eis Ih: die häufigste Form von gefrorenem Wasser auf der Erde. Das h zeigt die Kristallstruktur an, die hexagonal ist.
Eis ist nicht das einzige Material mit einem anomalen VIE. Man sieht es zum Beispiel auch bei Halbleitern. Durch die theoretische Beschreibung dieses kontraintuitiven Verhaltens hoffen die Forscher, mehr über die Eigenschaften dieser Materialien und die chemischen Bindungen zu erfahren, die sie zusammenhalten.
Um den Volumeneffekt theoretisch zu beschreiben, verwenden die Forscher eine sogenannte Wechselwirkungspotentialformel. Die Formel nähert sich dem an, was auf Molekülebene passiert, da es unmöglich ist, alle auftretenden quantenmechanischen Wechselwirkungen genau zu beschreiben. „Fast alle Wechselwirkungspotentiale sagten voraus, dass das Eisvolumen kleiner wird, wenn man Wasserstoffatome durch Deuteriumatome ersetzt“, sagt Meyer. „Nur der von einer US-Forschungsgruppe hat ein größeres Volumen geliefert, als wir in der Realität sehen.“
Der Vibrationsmodus beeinflusst die Lautstärke
Die Forscher analysierten das amerikanische Interaktionspotential im Detail. Die Analyse zeigte, dass der anomale Volumenisotopeneffekt von Eis damit zu tun hat, wie Moleküle in einer Kristallstruktur auf unterschiedliche Weise schwingen können. In einem Wassermolekül beispielsweise können die Wasserstoffatome in Richtung des Sauerstoffatoms hin- und herspringen oder das ganze Molekül biegt sich hin und her.
Im Eis ergeben sich dadurch zwei Schwingungsmoden: Im Eis gibt es also zwei Möglichkeiten: Im sogenannten Stretch-Vibration-Modus zeigen Wassermoleküle eine Art Eigenschwingung. Dafür brauchen sie nicht so viel Platz und können dicht beieinander stehen. Im anderen, dem sogenannten Schwingungsmodus, beanspruchen die Moleküle mehr Platz. „Das ist vergleichbar mit jemandem, der Passanten dazu zwingt, Platz zu machen, indem er mit dem Ellbogen wedelt“, sagt Meyer.
Schwerere Isotope bedeuten mehr Vibration und mehr Platz
Ersetzt man Wasserstoffatome im Eis durch Deuteriumatome, stellt sich heraus, dass der Einfluss des Schwingungsmodus auf Kosten des Streckmodus zunimmt. Dadurch stoßen die Moleküle stärker voneinander weg, nehmen mehr Platz ein und vergrößern das Volumen. Meyer sagt: „Das ist eine einfache Analogie des komplexen quantenmechanischen Effekts, der in der Realität auftritt.“
„Eines der überraschenden Dinge am Wechselwirkungspotential ist, dass sich herausstellt, dass Drei-Körper-Wechselwirkungen, an denen mehr als zwei Moleküle beteiligt sind, eine wichtige Rolle für den Volumeneffekt spielen, während sie im Fall der Bindung zwischen Molekülen kaum eine Rolle spielen alle. Eis erstaunt uns immer noch.“
Mehr Informationen:
Soroush Rasti et al, Neue Einblicke in den Volumenisotopeneffekt von Eis Ih aus polarisierbaren Vielteilchenpotentialen, Das Journal of Physical Chemistry Letters (2022). DOI: 10.1021/acs.jpclett.2c03212