Перекись водорода внезапно возникла в микрокаплях воды

Ученые обнаружили, что перекись водорода H₂O₂ может самопроизвольно образовываться на поверхности небольших водяных капель, что противоречит распространенному мнению о стабильности и химической инертности воды. Открытие может стать основой новых способов химического синтеза, методов очистки и обработки еды, пишут авторы в статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Вода встречается повсеместно на поверхности Земли, в верхних слоях коры и атмосфере. Несмотря на основополагающую роль этого соединения для любых известных форм жизни, многие физические и химические свойства воды пока остаются без полноценного теоретического объяснения. Например, некоторые особенности льда привели к появлению теории, что вода — смесь двух разных жидкостей. Однако более тщательные дальнейшие эксперименты не подтвердили этой идеи, так как ученым не удалось обнаружить предсказываемые фазовые переходы.

Химическая стабильность воды считается хорошо установленным фактом. Однако часть молекул воды постоянно диссоциирует на ионы, то есть одна молекула теряет протон, а другая присоединяет его, в результате чего получаются соединения ОН^- и Н₃О⁺, соответственно. При нормальных условиях также существует еще одна близкая к воде связанная форма водорода и кислорода — перекись водорода H₂O₂, которая встречается намного реже из-за нестабильности.

Химики из США и Южной Кореи под руководством Ричарда Заре (Richard Zare) из Стэнфордского университета описали результаты экспериментов, которые противоречат мнению о химической устойчивости воды. Ученые выяснили, что в небольших каплях воды без каких-либо внешних воздействий образуется перекись водорода. Более того, концентрация перекиси возрастала с уменьшением капель и снижалась при добавлении чистого кислорода.

Исследователи изначально пытались улучшить методы синтеза золотых наночастиц в микрокаплях воды, но обратили внимание на аномальные результаты, которые говорили о новых свойствах воды в таком виде. Они стали проводить опыты с различными комбинациями параметров. Самым простым вариантом было распыление микрокапель размером от 1 до 20 микрон на индикаторную полоску, чей цвет меняется в присутствии перекиси.

Оказалось, что даже чистая вода в случае распыления на малые капли окрашивает полоску. Авторы подтвердили происходящий в каплях синтез альтернативными методами, в том числе расщеплением (4-карбоксифенил)борной кислоты на борную кислоту и гидроксибензойную кислоту, а также превращением фенилборной кислоты в фенолы.

Также ученые проводили эксперименты, в которых для распыления использовались различные газы: сухой воздух, молекулярный азот и молекулярный кислород. Воздух и азот приводили к примерно одинаковому образованию перекиси в концентрации около 30 микромоль на литр (примерно одна миллионная), в то время как распыление с помощью кислорода уменьшило концентрацию.

Авторы делают вывод, что дополнительный кислород появлялся именно из воды, а не растворялся из окружающего газа. Насыщение воды растворенным кислородом путем предварительного пробулькивания газа в течение разного времени также привело к уменьшению концентрации перекиси. Следовательно, растворенный кислород также ни при чем.

Химики предлагают несколько гипотез, объясняющих появление перекиси: трибоэлектрический эффект, асимметричное разделение зарядов, контактная электризация и окисление воды вследствие поверхностного электрического потенциала на границе с воздухом. Авторы называют последний вариант, в рамках которого перекись образуется из двух гидроксилов, наиболее вероятным.

Полученные в данной работе результаты могут пригодиться как для фундаментальных исследований, так и в прикладных областях. В частности, подобный процесс может быть ответственен за образования перекиси в дождевых каплях. Если в дневное время за образование перекиси в каплях, скорее всего, отвечают фотохимические реакции с участием озона, то наблюдаемая в ночных дождях перекись может образовываться именно благодаря малой величине некоторых капель.

С точки зрения технологий открытие может лечь в основу новых методов получения перекиси, которая является важным коммерческим и промышленным реактивом. В основном нашли применение окислительные свойства перекиси, которая распадается с выделением атомарного кислорода. Перекись используется как отбеливатель, ракетное топливо (как в качестве окислителя, так и в однокомпонентном виде), катализатор и в синтезе многих химических соединений, в том числе лекарств.

Высокая реактивность перекиси позволяет делать с ее помощью в том числе взрывоопасные смеси, о которых мы недавно выпустили тест. О некоторых вариантах использования перекиси мы говорили с британским химиком Грэмом Хатчингсом в интервью.

Тимур Кешелава