Only Perception: 研究：氯化氫與氨靠額外電子相吸

2008-02-24

研究：氯化氫與氨靠額外電子相吸

All alone, ammonia and hydrogen chloride use negativity to get attached
http://www.physorg.com/news122219785.html

February 14, 2008

根據 Science 期刊中的新結果，電子 -- 一點點負能量，當你碰觸門把時，會電你一下 -- 鞭策著酸與鹼之間的化學反應。這些發現或許某天能幫助研究者精確地控制系統中的化學作用，從生物學到能源科技。

這個來自於三個單位，由實驗與理論化學家所組成的團隊，利用二種最簡單的酸與鹼 -- 氯化氫（鹽酸，hydrogen chloride）與氨（阿摩尼亞，ammonia）-- 來研究，在缺乏周圍環境的協助之下，這二者如何反應形成氯化銨（ammonium chloride）產物。他們的研究揭露，提供或移除額外的電子 -- 原本不在分子當中的 -- 能讓反應從酸與鹼變成中性分子或恢復到原狀。

"化學家的夢想是能夠控制化學反應，" 共同作者，華盛頓州 Richland，PNNL 的 Greg Schenter 說。共同作者 Maciej Gutowski，先前在 PNNL 現在任教於英國愛丁堡的 Heriot-Watt 大學，則補充道，"我們想要讓反應在我們想要它發生時發生，而且是沿著某種化學路徑前進。"

"我們能夠利用這種，從固態，例如氫儲存材料，中獲得氫，" Schenter 說。果真如此，將導致經濟、安全且實用的氫燃料車輛產生。基礎結果也能夠幫忙闡明生物學上的反應，例如當輻射危害細胞中的 DNA 時，Johns Hopkins 大學的共同作者 Kit Bowen 說。

"對我來說，這個反應是個簡單的原型。這裡有某些相當複雜的反應，也以這種方式發生，" Bowen 說。"它也證明，環境效應在反應性（reactivity）中相當重要。"

此反應在日常生活中如此常見，以致於從學生到老祖母都略有所知。許多人都知道不要將玻璃清潔劑與浴廁清潔劑混合：這二種東西會起反應，有時會冒出有害毒煙，並產生氯化銨。不過，許多人並不知道，如果各拿一個分子的麻煩製造者，氨與氯化氫，這二個分子並不能一同起反應。

在水中，氨（NH₃）與氯化氫（HCl）之間的反應是我們在高中最常學到的酸鹼化學作用的教課書例子。因其化學天性，氨水中的氮喜歡與 4 個氫相吸，而非 3 個，所以它從氯化氫那裡偷了一個氫。

這個偷兒留下了一個帶負電的氯（氯離子）。不過氮分子（現在稱為銨，ammonium）從偷過來的氫（氫離子，即質子）獲得了正電荷，並吸引這個氯化物。這種吸引力並不如氮與其狂熱鹼基（fan base）之間所謂的共價鍵（covalent bond）這般強健，氨與氯化物形成的是離子鍵（ionic bond），異性相吸的一種形式。對化學家來說，這看起來像是 NH₄⁺Cl^-。

不過那是在擁擠的情況下 -- 而非單獨一個。先前的研究證明，當單一個氨分子與單一個氯化氫分子獨立存在時，啥事都不會發生。所有所需的、古典的構成要素都在這裡：正電的氫（質子）與負電的電子，不過仍然什麼事情都沒有發生。研究者老早就在懷疑在高容量環境中到處漂浮的額外電子，由於某種未知原因，幫助氨與氯化氫分子起反應。如果是這樣，氯化銨在本質上，實際上看起來會像這樣 [NH₄⁺Cl^-]^-。

"額外的電子到處都有，" 計算化學家 Schenter 說。"當你在頭髮中摩擦一顆球，你就能剔除你頭髮與球表面的電子，而你就獲得靜電。你無法擺脫它們。"

為了測試這個構想，實驗家，由物理化學家 Bowen 所領導，必須以相反的方式進行這個反應。首先，他們創造出一個氯化銨分子，外面裝飾著一個額外的電子 -- [NH₄⁺Cl^-]^-。利用一道光束，他們接著測量不同的顏色有多容易將電子剔除。失去電子後，留下不順的（offkilter）NH₄⁺Cl^-，那立刻重新排列成一個安逸對（cozy pair），NH₃ 與 HCl。

這個團隊透過 DOE 位於 PNNL 的環境分子科學實驗室中，被開發用來了解化學鍵結與結構天性的電腦程式，取得資料並利用它量測，當額外的電子四處環繞時，悄悄接近的，氯化物的氫有多靠近氨的氮。所產生狀況顯示，失去過剩的電子如何導致氨與氯化氫轉變成為氯化銨。

"那猶如一個開關，" Schenter 說。"當電子出現時，它以一種方式表現。沒了電子，它以另一種方式表現。"

研究者也解開了另一道謎。化學家長久以來都在納悶，關於安逸對之間的交互作用（一個氨分子與一個氯化氫分子）。這種鍵結在本質上不是離子鍵，，就是像所謂的氫鍵（hydrogen bond） -- 比離子鍵或共價鍵更加微弱，但具有二者的特色。在比較缺乏電子與電子存在的資料後，理論團隊確定了氮、氫與氯所能構成的排列類型。從這些資料，他們斷言這些分子形成了氫鍵。

了解這些反應會帶來希望，化學將有個明確的未來。"如果你能控制反應，你就能夠在一種安全且環保的方式下運作，" Gutowski 說。

※ MIT 也揭露，如蜘蛛絲這類蛋白質之所以這麼強健，是因為成群氫鍵的緣故。相關報導：

＊ Electron-Driven Acid-Base Chemistry: Proton Transfer from Hydrogen Chloride to Ammonia
http://www.sciencemag.org/cgi/content/short/319/5865/936

Soren N. Eustis, Dunja Radisic, Kit H. Bowen,
Rafa A. Bachorz, Maciej Haranczyk, Gregory K. Schenter,
Maciej Gutowski
Science 15 February 2008: Vol. 319. no. 5865, pp. 936 - 939
DOI: 10.1126/science.1151614

In contrast to widely familiar acid-base behavior in solution, single molecules of NH₃ and HCl do not react to form the ionic salt, NH₄⁺Cl^-, in isolation. We applied anion photoelectron spectroscopy and ab initio theory to investigate the interaction of an excess electron with the hydrogen-bonded complex NH₃...HCl. Our results show that an excess electron induces this complex to form the ionic salt. We propose a mechanism that proceeds through a dipole-bound state to form the negative ion of ionic ammonium chloride, a species that can also be characterized as a deformed Rydberg radical, NH₄, polarized by a chloride anion, Cl^–.

＊ Protein's strength lies in h-bond cooperation
http://www.physorg.com/news122211551.html

＊ Geometric Confinement Governs the Rupture Strength of H-bond Assemblies at a Critical Length Scale
http://pubs.acs.org/cgi-bin/abstract.cgi/nalefd/2008/8/i02/abs/nl0731670.html