Loading AI tools
Mechanizm Grotthusa – jeden z głównych mechanizmów transportu protonów w substancjach takich jak: woda, stałe sole kwasów czy materiałach o strukturze perowskitu np. ceranie baru.
Od wielu lat naukowcy z różnych dziedzin interesują się problematyką związaną ze wszelkiego rodzaju zjawiskami, które dotyczą transportu protonów w różnych materiałach. Pomimo różnorakich badań pod kątem fizyko-chemicznym zjawiska związane z transportem protonowym wciąż nie są w pełni wyjaśnione co wynika między innymi ze szczególnego charakteru atomu i jonu wodoru.
Podczas wprowadzania wodoru do struktury krystalicznej danego związku zwykle dochodzi do utraty elektrony przez atom wodoru co prowadzi do tego iż w formie zdysocjowanej staje się on protonem. Proton, jako jedyny jon nie ma chmury elektronowej, przez co bardzo silnie oddziałuje z elektronami w swoim otoczeniu. Nie może on występować jako samodzielny defekt w strukturze krystalicznej związku, gdyż ma jednocześnie zbyt małą gęstość ładunku. W wyniku tych dwóch zależności proton ma tendencję do wiązania się z atomami elektroujemnymi np. tlenem czy azotem.
Jeżeli weźmiemy pod uwagę przypadek, gdy atomem, z którym oddziałuje proton jest tlen oddalony od innych elektroujemnych atomów wówczas powstaje wiązanie wodorowe (O-H) o długości mniejszej niż 100 pm. Gdy Proton oddziałuje z tlenem, który znajduje się w średniej odległości od innego atomu tlenu (250-280 pm), wówczas tworzą się dwa wiązania wodorowe(O-H***O) o różnej długości.
Ogólnie wyróżniamy dwa główne mechanizmy transportu protonów:
- mechanizm nośnikowy ( ang. vehicle mechanism )
- mechanizm Grotthusa
Jeżeli cząsteczka, najczęściej jon tlenu, z którym proton tworzy wiązanie wodorowe nie może przemieszczać się przez materiał wtedy ma miejsce mechanizm przewodzenia Grotthusa. W innym przypadku może dochodzić do przewodnictwa za pomocą mechanizmu nośnikowego, gdzie przez materiał porusza się proton związany na przykład z jonem tlenu, czyli nośnikiem nie jest sam proton lecz grupa O-H. Proces przewodnictwa Grotthusa składa się z dwóch etapów : obrotu wiązania O-H oraz przeskoku od jednego atomu tlenu do drugiego po tym jak dokona obrotu do odpowiednij pozycji między tymi atomami. Z tego powodu często nazywa się ten proces mechanizmem hoppingowym ( ang. hop - skakać ). Innymi słowy w pierwszym etapie dochodzi nam do dyfuzji rotacyjnej protonu, czyli jego chaotyczne obracanie wraz z atomem tlenu, a następnie przeorientowanie się się protonu i przeniesienie go do sąsiadującego tlenu na co pozwala niezwykle szybki ruch obrotowy grupy O-H.
Proces przeniesienia protonu może zostać opisany za pomocą dwóch stanów konfiguracyjnych:
- stanu podstawowego ( ang. ground state ) – kiedy proton związany jest z jonem tlenu,
- stan barierowy ( ang. barier state ) – kiedy proton znajduje się w równej odleglości od dwóch sąsiednich jonów tlenu.
Pomiędzy tymi stanami dla większości materiałów perowskitowych różnica energetyczna wynosi 0,2 eV co stanowi jedynie część energii aktywacji przewodnictwa protonowego w tych związkach ( np. dla ceranu baru energia aktywacji około 0,4 eV ). Można zatem wnioskować, iż większa część energii aktywacji jest związana ze zmianą położenia protonu i ma związek ze zmianami w samej strukturze krystalicznej.
Mechanizm ten wykorzystywany jest chociażby w stałotlenkowych ogniwach paliwowych ( SOFC ) z elektrolitem przewodzącym protonowo. [1]
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
