Les particules chargées dans les solutions aqueuses sont toujours entourées d'une enveloppe de molécules d'eau. Cependant, beaucoup est encore inconnu sur la nature de cette soi-disant coquille d'hydratation. En utilisant la spectroscopie térahertz, les chimistes de Bochum ont acquis de nouvelles connaissances sur la façon dont un ion affecte les molécules d'eau dans son environnement. Pr. Martina Havenith, Le Dr Gerhard Schwaab et le Dr Federico Sebastiani de la Chaire de chimie physique II de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) donnent un aperçu des résultats des expériences dans la revue Angewandte Chemie en juillet 2018.

"La coquille d'hydratation des ions est extrêmement importante pour comprendre les processus fondamentaux tels que le transport des ions à travers des membranes ou des batteries, " dit Martina Havenith, porte-parole du Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation. "Toutefois, des questions apparemment simples, comme la taille de la coquille d'hydratation ou l'apparition de la formation de paires d'ions, restent toujours sans réponse."

De nouvelles méthodes spectroscopiques développées

A la Ruhr-Universität Bochum, L'équipe de Martina Havenith aborde cette question avec des méthodes spectroscopiques développées en interne. Les chercheurs envoient de courtes impulsions de rayonnement dans la gamme térahertz, c'est-à-dire avec une longueur d'onde d'un peu moins d'un millimètre, à travers l'échantillon. Le mélange absorbe le rayonnement à différents degrés dans différentes gammes de fréquences, qui est rendu visible sous la forme d'un spectre. Le spectre, c'est-à-dire le modèle d'absorption, révèle quelque chose sur le mouvement de certaines liaisons dans les molécules étudiées, par exemple sur les liaisons hydrogène dans un réseau d'eau.

Le groupe de Bochum a développé des techniques spéciales utilisant un rayonnement térahertz à basse fréquence pour déterminer la taille de la coquille d'hydratation, c'est-à-dire le nombre de molécules d'eau affectées par un ion. Ils décomposent mathématiquement le schéma d'absorption enregistré en ses composants et peuvent ainsi identifier les parties du spectre qui révèlent quelque chose sur des ions individuels ou des paires d'ions.

Résoudre les molécules d'eau dans la coquille d'hydratation

Le résultat :des coquilles d'hydratation d'une taille comprise entre 2 et 21 molécules d'eau ont été déterminées pour plus de 37 sels étudiés. Le nombre dépend par exemple de la taille de l'ion et de sa valence. Les ions à charge unique affectent généralement moins de molécules d'eau que les ions à charges multiples. "Toutefois, ce n'est pas tout à fait systématique, mais dépend aussi du cation ou de l'anion présent, " explique Martina Havenith.

Les chercheurs utilisent leur méthode pour déterminer le nombre dit effectif de molécules d'eau, qui est le nombre minimum de molécules d'eau affectées par un ion, c'est-à-dire qui ne peut pas se déplacer aussi librement que l'eau environnante non affectée. En raison de la charge positive ou négative d'un ion, les molécules d'eau avec leurs atomes d'hydrogène partiellement chargés positivement ou leur atome d'oxygène partiellement chargé négativement s'alignent avec l'ion. "L'effet de l'ion sur les molécules d'eau diminue progressivement avec la distance, " explique Havenith. " Ainsi, il n'y a pas toujours une frontière claire entre les molécules d'eau affectées et non affectées. " L'équipe spécifie donc un nombre minimum pour la taille de la coquille d'hydratation.

Paires d'ions étudiées

Cependant, le groupe de Bochum s'est occupé non seulement des ions individuels, mais aussi avec des paires de cations et d'anions. Les molécules d'eau affectent la formation de la paire d'ions. Ils peuvent soit former une coque d'hydratation commune autour des deux partenaires, soit des coques séparées autour du cation et de l'anion. L'équipe est en mesure d'estimer le nombre de molécules d'eau qui composent chacune de ces coquilles. "Pour savoir combien de molécules d'eau entourent un chlorure de fer, il ne suffit pas de savoir combien de molécules d'eau sont affectées par un seul ion chlorure et combien par un seul ion fer, " explique Havenith. Il ne s'agit pas d'un simple processus additif.

"En général, nos résultats montrent clairement que les effets coopératifs plutôt que les propriétés individuelles des ions sont décisifs, " résume le chercheur. Il ne suffit donc pas de connaître une seule propriété ionique pour prédire comment un sel va affecter les molécules d'eau dans son environnement. divers paramètres, tels que la densité de charge ou la combinaison cation-anion déterminera si une paire d'ions est formée.