Physcial Sciences Division Research Highlights

Giugno 2007

Le molecole di ammoniaca si raddrizzano

Nuovi risultati fanno luce sull’origine del legame a idrogeno nell’ammoniaca

Molecole di ammoniaca
Al Pacific Northwest National Laboratory e alla University of Southern California, gli scienziati hanno determinato che i cluster di ammoniaca sono tenuti insieme dai classici legami idrogeno lineari. Vista ingrandita

Risultati: Mentre il comportamento rimbalzante e sussultorio delle collezioni di molecole d’acqua è stato compreso da tempo, gli scienziati hanno appena stabilito che l’ammoniaca, che si pensava si comportasse diversamente, ha le stesse caratteristiche dell’acqua nel legame delle molecole adiacenti.

Dalla metà degli anni ’80, gli scienziati hanno discusso se una molecola di ammoniaca forma un legame idrogeno lineare con un’altra molecola di ammoniaca o se è coinvolta in una disposizione più complessa. I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory e della University of Southern California hanno determinato che i cluster di ammoniaca sono tenuti insieme dai classici legami idrogeno lineari. L’ammoniaca è composta da un atomo di azoto con tre atomi di idrogeno più piccoli legati ad esso. Un cluster di ammoniaca è un numero di molecole di ammoniaca tenute insieme da legami idrogeno, un tipo di interazione che è più debole dei legami chimici convenzionali.

Come ha spiegato Sotiris Xantheas del PNNL, “A differenza dell’acqua, che richiede di considerare oltre le coppie di molecole, le interazioni dell’ammoniaca sono dominate principalmente dalle coppie.”

Mentre il comportamento dell’ammoniaca nei gas e nei liquidi è dominato dalle interazioni tra coppie di molecole, il principale elemento costitutivo dell’ammoniaca solida è un trimero, tre molecole disposte in un triangolo acuto. Al contrario, nell’acqua liquida o nel ghiaccio, tre molecole d’acqua adiacenti formano triangoli ottusi o più aperti.

Perché è importante: I legami idrogeno e le reti che formano giocano un ruolo importante nella comprensione e nel controllo dei processi, dalla raffinazione del petrolio greggio alla metabolizzazione delle proteine. Comprendere le proprietà di base dei diversi legami a idrogeno archetipici, come quelli nei cluster di acqua e ammoniaca, potrebbe portare a intuizioni critiche nella catalisi, nel destino e nel trasporto di contaminanti e nella funzione biologica.

Metodi: Utilizzando metodi sperimentali altamente raffinati e una solida comprensione della teoria chimica, il team di ricerca ha eseguito una serie elegante di esperimenti. Alla University of Southern California, i ricercatori hanno posto da due a quattro molecole di ammoniaca all’interno di una goccia di elio mantenuta vicino allo zero assoluto o -459°F. I ricercatori hanno usato l’ebollizione degli atomi di elio dalla goccia causata dall’assorbimento della luce laser per ottenere spettri dettagliati.

Al PNNL, i ricercatori hanno calcolato le strutture e gli spettri vibrazionali completamente anarmonici per i cluster di ammoniaca di varie dimensioni che sono stati sondati negli studi sperimentali. Questi calcoli hanno aiutato ad assegnare gli spettri sperimentali ad accordi specifici tra le molecole di ammoniaca in un cluster specifico.

Dopo un’attenta analisi, il team di ricerca ha determinato che una molecola di ammoniaca forma un legame idrogeno quasi lineare con un’altra molecola di ammoniaca e che ulteriori legami idrogeno con altre molecole di ammoniaca non perturbano questo schema. Sulla base del rigore degli esperimenti e dei dati spettrali dettagliati calcolati, i ricercatori ritengono che il trimero ciclico sia un elemento principale dell’ammoniaca solida.

Cosa c’è dopo: Con questa ricerca congiunta completata, gli scienziati prevedono di applicare le loro tecniche e la loro esperienza per affrontare altre sfide nell’area dei cluster legati all’idrogeno.

Riconoscimenti: Il DOE’s Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences e la National Science Foundation hanno finanziato questo lavoro.

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