В природе поведение систем, будь то большие или маленькие, всегда регулируется несколькими фундаментальными принципами. Например, объекты падают вниз, потому что это минимизирует их энергию. В то же время порядок и беспорядок являются ключевыми переменными, которые также формируют физические процессы. Системы, особенно в наших домах, со временем становятся всё более хаотичными. Даже на микроскопическом уровне системы стремятся к увеличению беспорядка — это явление известно как рост так называемой энтропии.
Роль энергии и энтропии в химических процессах
Эти две переменные — энергия и энтропия — играют важную роль в химических процессах. Процессы происходят автоматически, когда энергия может быть уменьшена или энтропия (беспорядок) увеличивается.
При стандартных условиях — например, в стакане воды — автодиссоциация воды затруднена обоими факторами, что делает это событие крайне маловероятным. Однако при воздействии сильных электрических полей процесс может быть значительно ускорен.
Неожиданный механизм автодиссоциации воды
Исследователи из Института полимерных исследований Макса Планка и Департамента химии Юсуфа Хамида в Кембриджском университете обнаружили удивительный механизм, который управляет автодиссоциацией воды в таких интенсивных полях.
Их выводы, опубликованные в Journal of the American Chemical Society, бросают вызов традиционному представлению о том, что эта реакция в основном обусловлена энергетическими соображениями.
«Автодиссоциация воды была тщательно изучена в объёмных условиях, где считается, что она энергетически невыгодна и энтропийно затруднена», — говорит Яир Литман, руководитель группы в Институте Макса Планка. «Но в сильных электрических полях, типичных для электрохимических сред, реакция ведёт себя совершенно иначе».
Используя передовые моделирования молекулярной динамики, Литман и соавтор Ангелос Михайлидес показывают, что сильные поля значительно усиливают диссоциацию воды — не за счёт того, что реакция становится более энергетически выгодной, а за счёт того, что она становится энтропийно выгодной. Электрическое поле сначала упорядочивает молекулы воды в высокоструктурированную сеть. Когда образуются ионы, они нарушают этот порядок, увеличивая энтропию системы — или беспорядок — что в конечном итоге ускоряет реакцию.
«Это полный переворот того, что происходит при нулевом поле», — объясняет Литман. «Вместо того чтобы энтропия сопротивлялась реакции, она теперь способствует ей».
Исследование также показывает, что под воздействием сильных электрических полей pH воды может упасть с нейтрального (7) до сильно кислого уровня (до 3), что имеет значение для понимания и проектирования электрохимических систем.
«Эти результаты указывают на новую парадигму», — говорит Михайлидес. «Чтобы понять и улучшить устройства для расщепления воды, мы должны учитывать не только энергию, но и энтропию — и то, как электрические поля изменяют молекулярный ландшафт воды».
Исследование подчёркивает необходимость переосмысления того, как моделируется реактивность в водных средах под воздействием смещения, и открывает новые возможности для разработки катализаторов, особенно в электрохимических и «водных» реакциях.
Предоставлено Институтом Макса Планка.