Исследователи из Сколковского института науки и технологий вместе с коллегами из Штутгартского университета показали, что концентрация иона гидроксония и гидроксид-аниона в чистой жидкой воде намного выше, чем учитывается при оценке pH. Открытие позволит пересмотреть данные о структуре воды и показателе кислотности. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

Ионы в жидкой воде играют важную роль в окислительно-восстановительных процессах, каталитических и электрохимических реакциях. Ранее химики считали, что ядерные квантовые эффекты способствуют низкобарьерному туннелированию атома водорода между молекулами воды, из-за чего возникают короткоживущие состояния с избыточным протоном, такие как ион гидроксония H₃O⁺. Однако экспериментальное подтверждение этому отсутствовало.

Исследователи из Сколтеха вместе с немецкими коллегами провели измерения ионно-молекулярного состава жидкой воды в динамике. В результате авторы показали, что несколько процентов молекул воды временно находились в ионизированном состоянии.

«Чтобы определить избыточные протонные, состояния мы использовали изотопологи воды: обычную (H₂O), тяжелую (D₂O) и полутяжелую (HDO). Постепенно заменяя атомы водорода (H) дейтерием (D), мы меняли относительную концентрацию частиц, которые связаны с избыточным протоном — HD₂O⁺, DH₂O⁺, H₃O⁺ и D₃O⁺. Затем мы определяли их вклад в поглощение в ИК-диапазоне. В спектрах полутяжелой воды вблизи изгибных молекулярных мод обнаружились спектральные особенности, которые зависели от концентрации протонов. Их оказалось невозможно описать с помощью какой-либо из известных моделей. Мы предположили, что эти особенности связаны с избыточными протонными состояниями, которые могут проявляться на временном масштабе в несколько пикосекунд», — рассказывает один из авторов работы, профессор Центра энергетических технологий Сколтеха (CEST) Хенни Уэрдан.

Предыдущие исследования структуры воды, по словам исследователей, основывались на кристаллографических экспериментах и не показывали динамику воды. Работа российских исследователей дает новые представления о сложной структуре воды на ультракороткой временной шкале. Основываясь на результате измерений, ученые предполагают, что в будущем обнаружатся новые эффекты взаимодействия электрического поля и воды, а также другие необычные свойства этого вещества.