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Wie Säuren bei extrem tiefen Temperaturen mit Wassermolekülen interagieren, haben Bochumer Forscherinnen und Forscher vom Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation (Resolv) gemeinsam mit Kooperationspartnern aus Nimwegen untersucht. Mit spektroskopischen Analysen und Computersimulationen gingen sie der Frage nach, ob Salzsäure (HCl) unter Bedingungen, wie sie im interstellaren Raum herrschen, ihr Proton abgibt oder nicht. Die Antwort war weder Ja noch Nein, sondern abhängig davon, in welcher Reihenfolge das Team Wasser- und Salzsäuremoleküle zusammenbrachte.

Die Ergebnisse beschreibt die Gruppe um Prof. Dr. Martina Havenith, Lehrstuhl für Physikalische Chemie II, und Prof. Dr. Dominik Marx, Lehrstuhl für Theoretische Chemie, von der Ruhr-Universität Bochum gemeinsam mit dem Team um Dr. Britta Redlich von der Radboud University, Nimwegen, in der Zeitschrift Science Advances, online vorab veröffentlicht am 7. Juni 2019.

Verstehen, wie sich komplexe Moleküle bildeten

Trifft Salzsäure unter normalen Bedingungen, zum Beispiel bei Zimmertemperatur, auf Wassermoleküle, dissoziiert die Säure sofort: Sie gibt ihr Proton (H⁺) ab, es bleibt ein Chloridion (Cl^-) übrig. Ob der gleiche Prozess auch bei extrem tiefen Temperaturen unter zehn Kelvin – also unter minus 263,15 Grad Celsius – stattfindet, wollte das Forschungsteam herausfinden. „Wir möchten wissen, ob es unter den extremen Bedingungen im interstellaren Raum die gleiche Säure-Base-Chemie gibt, die wir von der Erde kennen“, erklärt Martina Havenith, Sprecherin des Exzellenzclusters Resolv. „Die Ergebnisse sind entscheidend, um verstehen zu können, wie sich komplexere chemische Moleküle im All gebildet haben – noch lange bevor die ersten Vorläufer für Leben entstanden.“

Um die extrem tiefen Temperaturen im Labor nachzustellen, ließen die Forscher die chemischen Reaktionen in einem Tropfen aus superflüssigem Helium ablaufen. Die Vorgänge verfolgten sie mit einer besonderen Form der Infrarot-Spektroskopie, welche Molekülschwingungen mit niedrigen Frequenzen detektieren kann. Dazu braucht es einen Laser mit besonders starker Leuchtkraft, wie er in Nijmegen zur Verfügung steht. Computersimulationen erlaubten den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die experimentellen Ergebnisse zu interpretieren.

Auf die Reihenfolge kommt es an

Zunächst gaben die Forscher zu dem Salzsäure-Molekül nacheinander vier Wassermoleküle hinzu. In diesem Prozess dissoziierte die Salzsäure, sie gab ihr Proton an ein Wassermolekül ab, es entstand ein Hydroniumion. Das übrig gebliebene Chloridion, das Hydrioniumion und die drei weiteren Wassermoleküle bildeten ein Cluster.

Erzeugten die Forscher jedoch zunächst einen eis-ähnlichen Cluster aus den vier Wassermolekülen und gaben dann die Salzsäure hinzu, erhielten sie ein anderes Ergebnis: Das Salzsäure-Molekül dissoziierte nicht; das Proton blieb am Chloridion gebunden.

„Unter den Bedingungen, wie sie in interstellaren Wolken herrschen, kann es also zur Dissoziation von Säuren kommen, es muss aber nicht notwendigerweise passieren – die beiden Prozesse sind quasi zwei Seiten derselben Medaille“, fasst Martina Havenith zusammen.

Keine einfache Chemie im Weltall

Die Forscher gehen davon aus, dass sich das Ergebnis auch auf andere Säuren übertragen lässt, also das Grundprinzip der Chemie bei ultrakalten Bedingungen darstellt. „Die Chemie im Weltall ist also keineswegs einfach, sie könnte sogar komplexer sein als die Chemie unter planetaren Bedingungen“, sagt Dominik Marx. Denn es komme nicht nur auf die Mischungsverhältnisse der reagierenden Substanzen an, sondern auch auf die Reihenfolge, in der sie zueinandergegeben werden. „Dieses Phänomen muss bei künftigen Experimenten und Simulationen unter ultrakalten Bedingungen bedacht werden“, so der Forscher.