Mechanizm Grotthussa

Łańcuch cząsteczek, po którym według jednej z koncepcji następować może przemieszczanie się protonów

Mechanizm Grotthussa – mechanizm działania jonów wodorowych (H+) w wodzie, zaproponowany w roku 1806 przez Theodora Grotthussa w celu wyjaśnienia wysokiego przewodnictwa jonowego wody[1]. W koncepcji tej proton związany w jonie hydroniowym (H
3O+
) przemieszcza się do sąsiedniej cząsteczki H
2O poprzez wiązanie wodorowe. Cząsteczka przyjmująca proton oddaje z kolei jeden ze swoich protonów kolejnej cząsteczce wody.

Proponowane modele mikroskopowe mechanizmu Grotthussa obejmowały m.in. chaotyczne przeskoki kolejnych protonów między cząsteczkami (Bernal i Fowler, 1933[2]) lub mechanizm uzgodniony, w którym tworzenie i zrywanie wiązań O−H następowało jednocześnie w łańcuchu cząsteczek wody (Eigen, 1964[3]). Koncepcja Manfreda Eigena była zgodna z eksperymentalnymi obserwacjami znacznie większej ruchliwości protonów (o 1–2 rządy wielkości) w lodzie niż ciekłej wodzie[4]. W bardziej współczesnej koncepcji (Agmon, 1995) zaproponowano mechanizm, w którym kation Eigena (H
9O+
4) traci cząsteczkę H
2O w wyniku zerwania jednego wiązania wodorowego, przekształcając się w kation Zundela (H
5O+
2). Kation ten natychmiast przyłącza cząsteczkę wody na swoim drugim końcu, odtwarzając strukturę typu H
9O+
4, w którym ładunek dodani jest jednak przesunięty o jedną cząsteczkę. Mechanizm ten zgodny jest z obliczeniami komputerowymi dla modelu 32 cząsteczek[4].

Zastosowanie

[edytuj | edytuj kod]

Mechanizm Grotthussa wykorzystywany jest w przypadku elektrolitów przewodzących protonowo w stałotlenkowych ogniwach paliwowych (SOFC) o strukturze perowskitu ABO3. Drogą modyfikacji właściwości elektrycznych i transportowych materiałów o strukturze perowskitu jest wprowadzanie różnych domieszek akceptorowych w podsieć B materiału ABO3. Właściwy dobór rodzaju i ilości domieszki (np. tytanu, cyny) powoduje otrzymanie materiału o wysokiej przewodności protonowej[5][6].

Przypisy

[edytuj | edytuj kod]
  1. ↑ C.J.T. de Grotthuss. Sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en dissolution à l'aide de l'électricité galvanique. „Ann. Chim.”. 58, s. 54–73, 1806. (fr.).  Reprint w tłumaczeniu na j. ang.: C.J.T. de Grotthuss. Memoir on the decomposition of water and of the bodies that it holds in solution by means of galvanic electricity. „Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Bioenergetics”. 1757 (8), s. 871-875, 2006. DOI: 10.1016/j.bbabio.2006.07.004. (ang.). 
  2. ↑ Bernal, J. D., Fowler, R. H.. A Theory of Water and Ionic Solution, with Particular Reference to Hydrogen and Hydroxyl Ions. „The Journal of Chemical Physics”. 1, s. 515-548, 1933. DOI: 10.1063/1.1749327. 
  3. ↑ Eigen, M.. Proton Transfer, Acid-Base Catalysis, and Enzymatic Hydrolysis. Part I: Elementary processes. „Angew. Chem. Int. Ed. Engl.”. 3 (1), s. 1-19, 1964. DOI: 10.1002/anie.196400011. 
  4. ↑ a b Agmon, Noam. The Grotthuss mechanism. „Chemical Physics Letters”. 244 (5–6), s. 456-462, 1995. DOI: 10.1016/0009-2614(95)00905-J. 
  5. ↑ Tatsumi Ishihara – Perovskite Oxides for Solid Oxide Fuell Cells
  6. ↑ Klaus-Dieter Kreuer – Proton Conductivity:  Materials and Applications