Chemie

Der Röntgenstrahl schlägt einzelne Elektronen aus den Molekülen im Wasser und ermöglicht so Rückschlüsse auf ihre atomare Struktur.

Forscher kommen einer neuer Bindungsart von Wasser auf die Spur

Wassermoleküle gruppieren sich in der Regel zu dritt oder zu viert. Verantwortlich für dieses Verhalten ist in erster Linie die elektrische Anziehung. Denn obwohl ein Wassermolekül als Ganzes keine Ladung trägt, ist sein Sauerstoff-Atom negativer geladen als die beiden Wasserstoff-Atome. Das Molekül besitzt deshalb ausgeprägte elektrische Pole - und somit die Fähigkeit, andere Wassermoleküle anzuziehen. Solche Verbindungen bezeichnen Wissenschaftler als Wasserstoffbrücken.

Doch Wassermoleküle neigen nicht nur zur Grüppchenbildung. Einige zerfallen in ein positiv geladenes Wasserstoff-Ion und ein negativ geladenes Molekül aus einem Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom, das Hydroxid-Ion. Dieses Teilchen gibt Forschern seit Jahrzehnten Rätsel auf. "Das Hydroxid-Ion bewegt sich etwa fünf Mal so schnell durch das umgebende Wasser wie gelöste Salz-Ionen", sagt Manfred Faubel vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation. Eine schlüssige Erklärung für dieses Phänomen gab es bisher nicht.

Seit einigen Jahren jedoch vermuten Wissenschaftler, dass die Art, wie das Hydroxid-Ion Wasserstoffbrücken knüpft, entscheidend sein könnte. Einer Theorie zufolge kann das Hydroxid-Ion eine Wasserstoffbrücke nur über sein Sauerstoff-Atom bilden. Das entsprechende Wasserstoff-Atom liefert das Wassermolekül. Bei ihrem Experiment haben die Forscher nun aber den umgekehrten Mechanismus entdeckt: Das Hydroxid-Ion kann auch sein eigenes Wasserstoff-Atom für eine solche Bindung zur Verfügung stellen.

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 die Atome selbst bewegen sich, nur die Bindungen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff verlagern sich, sodass das ursprüngliche Hydroxid-Ion zum Wassermolekül und ein Wassermolekül zum Hydroxid-Ion wird.

Um das aufzuspüren, lenkten die Forscher in ihrem Experiment die intensiven Röntgenstrahlen, die im Elektronenspeicherring BESSY entstehen, auf einen dünnen Wasserstrahl. In einer Art Kettenreaktion, die nur den Billiardsten Teil einer Sekunde dauert, katapultieren die Röntgenstrahlen mehrere Elektronen aus den Molekülen heraus. Diese Elektronen waren der Schlüssel zum Erfolg: Denn ihre Energie verrät Details über das Molekül oder Ion, zudem sie zuvor gehörten, und ermöglichte den Forschern somit einen Blick tief in die atomare Struktur des Wassers.

"Entscheidend bei dem Versuchsaufbau war es, einen Wasserstrahl zu erzeugen, der etwa 20-mal so dünn war wie ein einzelnes Haar", erklärt Faubel. Denn 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; das hätte sonst die Messwerte verfälscht.

Das Verhalten des Hydroxid-Ions in Wasser ist 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 selbst im Alltagsleben in Seifen, Säften und im Sauren Regen allgegenwärtig.

Max-Planck-Gesellschaft (2008)