Електролизата е известна от повече от 200 години, но начинът, по който протоните пътуват през водата, за да стане тя възможна, може да е разгадан едва сега.
Моделът на преминаването на протоните през вода е потвърден с помощта на рентгенова спектроскопия. Учудващо, моделът, който откритието заменя, датира от 1806 г., въпреки факта, че протоните не са били открити още век след това.
В началото на 19-ти век откриването на електрическата клетка прави възможни много експерименти с електричество, но наблюденията изпреварват теорията. След като откриват електролизата, учените се борят да обяснят как електрическият ток може да премине през водата. Забележително е, че Теодор Гротус предоставя решение, което се оказва изключително издръжливо, въпреки огромните пропуски в неговите знания.
Въпреки това физикохимиците отдавна знаят, че обяснението на Гротус изисква модификация. През 2005 г. професор Ехуд Пайнс от университета Бен-Гурион в Негев представи напредъка си по механизма на Гротус, но се бори да спечели приемането на предложението си. Сега обаче статия, публикувана в Angewandte Chemie, подкрепя теорията на Пайнс и той се надява, че най-накрая ще спечели съмняващите се.
Според Гротус зарядът се предава от една водна молекула на друга. Той не само че не е знаел за протоните, но (както неговите съвременници) е смятал, че химичната формула на водата е HO, а не H2O. Но това, което стана известно като "прескачане на протони", остава в основата на научното обяснение защо протоните дифузират толкова лесно в електрическо поле сред произволните движения на водните молекули.
Пайнс има по-сложна версия, в която всеки протон създава поредица от три водни молекули, подобно на влак, който строи релсите пред себе си, като използва тези, по които вече е преминал.
Пайнс признава, че не е първият, който предлага нещо в тази насока, но твърди, че е идентифицирал истинската молекулярна структура, образувана от влака на протона.
"Дебатите относно механизма на Гротус и естеството на преминаването на протони във вода се разгорещиха", казва Пайнс в изявление, "тъй като това е едно от най-основните предизвикателства в химията. Разбирането на този механизъм е чиста наука, разширява границите на нашето знание и променя едно от основните ни разбирания за един от най-важните природни механизми за транспортиране на маса и заряд."
Изправен пред такова съмнение, Пайнс събира екип, който е разработил направено по поръчка рентгеново оборудване, за да наблюдава преминаването на протони през водата. Като признание за важността, с която темата се разглежда сред химиците, само оборудването струва милиони долари, но Европейският изследователски съвет преценя, че инвестицията си заслужава.
Експериментът разкрива, че всеки протон променя електронната структура на кислородните атоми в три водни молекули, но в различна степен, създавайки влак от три молекули, с много по-слаб ефект върху по-отдалечените молекули.
"Всички мислеха по този проблем повече от 200 години, така че това беше достатъчно предизвикателство за мен, за да реша да се заема с него", казва Пайнс. "Седемнадесет години по-късно съм доволен, че най-вероятно намерих и демонстрирах решението."
Университетските учебници по химия все още използват механизма на Гротус, за да обяснят движението на протона във водата и може един ден да бъдат преиздадени с "механизма на Пайнс". Въпреки това документът увеличава шансовете да бъде постигнат фундаментален напредък.
Тъй като електролизата носи голяма част от надеждите на света за нисковъглеродно бъдеще, всичко, което допринася за по-доброто разбиране, може да бъде ценно. Механизмът може също така да доведе до подобрения във водородните горивни клетки и мембранния дизайн.
Документът е публикуван в Angewandte Chemie.
