Jaarboek no. 87. 2008/2009 - Koninklijke Maatschappij voor ...

50 Diligentia
Figuur 2. Geleidingsmechanisme voor protonen in water. Het proton verplaatst zich niet
als deeltje, maar de lading van het proton wordt doorgegeven via een omzetting van
solvatatiesstructuren.
Het bovenbeschreven mechanisme wordt ook wel aangeduid als Grotthussgeleiding van
protonen. Met deze aanduiding wordt de nagedachtenis geëerd van C.J.T. de Grotthuss die
aan het begin van de 19e eeuw (!) het mechanisme van elektrolyse van zoutoplossingen
bestudeerde [4]. De Grotthuss stelde een doorgeefmechanisme van lading voor om de
geleiding van zoutoplossingen te verklaren. Overigens wist de Grotthuss nog niet van het
bestaan van protonen en hij heeft dan ook niet het mechanisme als getoond in figuur 2
voorgesteld.
Het mechanisme van figuur 2 is gebaseerd op berekeningen en daarmee nog niet bewezen.
Het mechanisme is te bewijzen door de omzetting van de Zundel- en de Eigenstructuren
te meten [5]. Dat is mogelijk als de verschillende solvatatiestructuren karakteristieke
spectroscopische eigenschappen bezitten die in de tijd kunnen worden gevolgd. In de experimenten
die wij hebben verrricht worden die specifieke spectroscopische eigenschappen
gevormd door de vibraties (eigentrillingen) van de solvatatiestructuren. De Zundel- en
Eigenstructuren bezitten specifieke eigentrillingen waarvan de frequenties met verschillen.
Dat betekent dat de omzetting van een Zundel- naar een Eigenstructuur zal leiden tot een
verandering van de trillingsfrequenties. De trillingsfrequenties kunnen we meten met infrarood
licht. Als de frequentie van het infrarode licht resonant is met de trillingsfrequentie,
zal het licht namelijk worden geabsorbeerd. In Figuur 3 staat het transmissiespectrum van
een oplossing van een 5 M oplossing van HCl:DCl in HDO:D 2 O. We gebruikten isotopisch
verdunde oplossingen om thermische effecten in de experimenten te minimaliseren. De
O–H strekvibratie van het HD 2 O + ion in het centrum van een Eigenstructuur absorbeert
tussen de 2700 en 2950 cm -1 . De O–H strekvibraties van het Zundel-ion absorberen van
3250 tot 3400 cm -1 .
Door gebruik te maken van korte infrarood-pulsen is het mogelijk om veranderingen van
de vibratiefrequenties in de tijd te volgen, en daarmee hoe snel Zundel- en Eigenstructuren
in elkaar worden omgezet. Het experiment ziet er dus als volgt uit. Met een eerste
infraroodpuls worden specifieke structuren, bijvoorbeeld Eigenstructuren, in trilling gezet.
Vervolgens wordt met een vertraagde tweede infraroodpuls gemeten hoelang de trillingsfrequentie
van de geëxciteerde structuren hetzelfde blijft, en hoelang het duurt voor de
frequentie evolueert naar die van andere solvatatiestructuren. De karakteristieke tijdschaal
waarop de solvatatiestructuren in elkaar worden omgezet, wordt bepaald door de tijd
tussen de eerste en de tweede puls te variëren. De eerste puls dient dus om bepaalde
solvatatiestructuren van een label (de trilling) te voorzien, de tweede puls heeft als functie
om te meten wat er met de gelabelde structuren is gebeurd. Het is belangrijk dat de eerste
infrarood puls alleen als label dient en niet zelf de dynamica van de omzetting van de
solvatatiestructuren beïnvloedt. Het doel van het experiment is namelijk om de snelheid
van de spontane uitwisseling van de solvatatiestructuren door de thermische beweeglijkheid
van water te bepalen.
De lichtpulsen die nodig zijn voor deze metingen hebben zeer speciale eigenschappen.
Op de eerste plaats moeten deze pulsen een golflengte hebben in het infrarood van ca. 3
Proton-estafette in water