В водном конденсате обнаружили перекись водорода

Американские химики обнаружили, что в микрокаплях воды при конденсации образуется перекись водорода. Для этого они охлаждали подложки из кремния, тефлона, стекла и меди во влажной среде: независимо от типа поверхности, перекись водорода всегда появлялась в конденсате с максимальной концентрацией в 68 микромолей на литр. Предположительно, во всем виноваты радикалы OH, однако механизм реакции пока непонятен до конца пишут ученые в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Долгое время считалось, что химические процессы, проходящие внутри воды, ограничиваются ее диссоциацией на ионы гидроксония H₃O⁺ и гидроксила OH^- при комнатной температуре. Однако в прошлом году стэнфордские химики под руководством Ричарда Заре (Richard Zare) обнаружили, что вода не так уж устойчива к окислению: при распылении микрокапель воды образовался пероксид водорода — распространенный агент для окислительно-восстановительных реакций. Тогда они выдвинули несколько гипотез, объясняющих это явление: трибоэлектрический эффект, асимметричное разделение зарядов, контактная электризация и окисление воды вследствие поверхностного электрического потенциала на границе с воздухом.

В новой работе ученые рассмотрели конденсацию капель на охлажденные подложки. Для этого они собрали камеру с контролируемой влажностью и температурой подложки, которая охлаждалась с помощью элемента Пельтье: за процессом конденсации исследователи наблюдали в оптический микроскоп.

В качестве первичной подложки авторы выбрали кремниевую пластину — у нее низкая электропроводность (что важно для чистоты эксперимента) и высокая теплопроводность. Пластину выдерживали при температуре в 3,5 градуса Цельсия при относительной влажности в 55 процентов: за одну минуту на ее поверхности образовались микрокапли жидкости.

Чтобы проверить наличие перекиси в таких каплях, ученые добавили их к раствору 4-карбоксифенилбороновой кислоты: масс-спектрометрия указала на протекание реакции с образованием борной и 4-гидроксибензойной кислот. Далее, чтобы оценить концентрацию перекиси водорода в капельках ученые фотометрически оттитровали оксалат титанила калия: концентрация перекиси составила 68 микромолей на литр (то есть всего 2,3 частицы на миллион частиц воды). Чем дольше ученые выдерживали пластину, тем больше на ней конденсировалась воды — а в больших каплях обнаруженные значения концентрации перекиси неуловимы.

Чтобы проверить, появляется ли перекись только на кремниевой подложке, ученые взяли другие материалы — тефлон, стеклянную пластину и полированный медный лист. На каждой поверхности они обнаружили перекись, однако на кремниевой подложке ее выделилось больше всего. Для более точной проверки влияния поверхности подложки на появление перекиси химики модифицировали поверхность кремния тремя способами: нанесли на поверхность гидрофобное вещество (1,7-дихлоро-октаметилтетрасилоксан), обработали ее кислородной плазмой и протравили лазером.

На гидрофобной поверхности вода осаждается медленнее, а потому перекиси в течение двух минут конденсации воды выделялось меньше, чем у необработанной поверхности кремния. Обработанная кислородной плазмой поверхность — гидрофильная: она сразу впитала в себя из воздуха воду, что не позволило уловить малые концентрации пероксида водорода. Протравленная поверхность кремния усилила ее изначальные свойства, которые были преимущественно гидрофильными: конденсация воды на такую поверхность ускорилась, максимум выработки перекиси наблюдался при 30 секундах выдержки (против двух минут в изначальном эксперименте).

Также ученые проверили влияние влажности воздуха, освещенности камеры и температуру подложки. При 40 процентах относительной влажности концентрация перекиси была в четыре раза меньше, чем при 55 и 70 процентах. Излучение света не повлияло на образование перекиси водорода, а больше всего H₂O₂ образовывалось при изначально подобранной температуре в 3,5 градуса Цельсия.

Образование перекиси в капельках воды, таким образом, происходит не только в лабораторных условиях, но и при вполне распространенных. Ученые не смогли установить правдоподобную причину такого явления, однако предположили, что дело может быть в процессах нуклеации и роста капель на поверхности подложки. При этом капли, в которых образуется пероксид водорода, были не больше десяти микрометров.

Авторы так же считают, что во всем могут быть виноваты радикалы OH, которые образуются из-за двойного электрического слоя между водой и воздухом (не так давно, китайские ученые обнаружили на границе между водой и маслом электрическое поле с напряженностью в 10⁷ вольт на сантиметр). Исследователи считают, что их находка поможет с синтезом пероксида водорода in situ, который и при небольших концентрациях сможет очистить и обеззаразить поверхность.

То, что в воде есть перекись водорода, может немного напугать: все же большая и средняя концентрации перекиси могут навредить человеческому организму. Как выяснили пять лет назад сингапурские и американские ученые, некоторые штаммы пневмококка Streptococcus pneumoniae выделяют пероксид водорода в клетки эпителия легких, который вызывает двухцепочечный разрыв ДНК. Стоит учесть, однако, что в питьевой воде концентрация перекиси водорода очень мала — и человеку навредить не может.

Артем Моськин