In Amsterdam is een nieuwe methode bedacht om het aantal watermoleculen te bepalen, dat rond een opgelost ion zit. Met dank aan het verschil tussen gewoon en zwaar water, schrijven UvA-onderzoeker Sander Woutersen en AMOLF-groepsleider Huib Bakker in Physical Review Letters.

Die watermoleculen zijn dipolen. Het lokale elektrische veld van een ion verstoort hun gedrag, een verschijnsel dat depolarisatie wordt genoemd. De moleculen die er direct tegenaan liggen, worden in één bepaalde stand gedwongen: statische depolarisatie. Een eindje verderop kunnen ze nog enigszins vrij bewegen maar voelen ze het effect nog wel: kinetische depolarisatie.

Uit de statische depolarisatie kun je het hydratatiegetal afleiden, dus het aantal watermoleculen dat in de eerste schil rond het ion zit. Maar metingen leveren altijd een optelsom van beide depolarisatie-effecten, en hun respectievelijke bijdragen kun je alleen maar schatten. Voor de kinetische depolarisatie kan dat via een theoretisch model dat ruim 40 jaar geleden werd ontwikkeld door Nobelprijswinnaar Lars Onsager en zijn postdoc Joseph Hubbard. Maar het feit dat daar soms negatieve hydratatiegetallen uit komen, benadrukte de noodzaak om dat model eindelijk eens experimenteel te toetsen.

En dat is precies wat Woutersen, Bakker en collega’s hebben gedaan. Ze maakten oplossingen van NaCl en CsCl in zowel H₂O als D₂O. Voor de statische depolarisatie maakt het in theorie geen verschil dat D tweemaal zo zwaar is als H, maar voor de kinetische depolarisatie wel.

Metingen met diëlektrische spectroscopie laten inderdaad dat verschil zien. Maar het blijkt veel kleiner dan het model van Hubbard en Onsager voorspelde. De Amsterdammers zoeken een verklaring in het feit dat een ion ook het netwerk verstoort van waterstofbruggen tussen de watermoleculen. Die moleculen werken daardoor minder goed samen. En ook dát effect wordt nauwelijks beïnvloed door het verschil tussen H en D.

Ze stellen dat je met een aangepast Hubbard-Onsagermodel, dat deze laatste factor wél meeneemt, het hydratatiegetal een stuk betrouwbaarder kunt voorspellen. In elk geval komen er nu alleen nog plausibele positieve waarden uit, die voor Na⁺ en Cs⁺ aardig overeenkomen met eerdere experimentele bepalingen die op een andere manier zijn gedaan.

Of het ook opgaat voor andere ionen, is afwachten.

bron: UvA, Physical Review Letters