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Les électrons hydratés : une clé de la chimie de l'eau

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La physique de l'eau est un domaine encore mystérieux. Un groupe de chercheurs vient d'apporter quelques éléments nouveaux sur la formation des électrons hydratés, des amas de molécules d'eau jouant un rôle important en physique et chimie de l'eau.

Isomères de (H2O)20, des amas de molécules d'eau pouvant former des cages moléculaires. Crédit : William R. Wiley, Environmental Molecular Sciences Laboratory

Lorsque que l'on injecte un excès d'électrons dans de l'eau liquide, il se forme ce qu'on appelle des amas d'électrons hydratés. Une véritable cage moléculaire se crée autour de l'électron, composée de plusieurs molécules d'eau qui elles-mêmes s'associent grâce à de classiques liaisons hydrogène.

On pense que 6 molécules interviennent en moyenne. Mais des amas neutres avec plusieurs dizaines de molécules, voire bien plus, doivent spontanément se former, bien que de façon transitoire, dans de l'eau liquide. De véritables structures existent donc toujours, contrairement à l'image désordonnée que l'on se fait de l'eau liquide.

La découverte de cet ion particulier dans l'eau s'est faite de façon fortuite (donc par sérendipité...), lorsque des chercheurs, dont un chimiste du fameux laboratoire Argonne, ont étudié, au début des années 1960, la physique des impulsions de radiations dans l'eau. Une curieuse bande d'absorption fut découverte et ne tarda pas à être interprétée comme la signature d'une nouvelle structure moléculaire : les amas d'électrons hydratés.

D'actives recherches s'en sont suivies car ces électrons étranges augmentent la réactivité de l'eau avec les autres molécules dans un nombre important de processus chimiques, physiques et biologiques comme la photosynthèse.

Le chimiste Edwin Hort, découvreur des électrons hydratés. Crédit : Argonne Laboratory

C'est donc dans une longue tradition de recherches sur ces ions que s'inscrivent les travaux de plusieurs chercheurs appartenant au Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL), au Berkeley's Advanced Light Source, tous deux aux USA, et au MAX-Lab en Suéde.

En particulier, la dynamique des molécules d'eau pointant leurs atomes d'hydrogène vars l'électron piégé dans la cage moléculaire n'est pas très bien comprise. Pour en savoir plus, les chercheurs ont employé des rayons X afin d'éjecter un électron d'un atome d'oxygène appartenant à une molécule d'eau. Le but était de mesurer combien de temps s'écoulait entre l'apparition de cet électron et le début de la formation d'une cage moléculaire.

D'après les mesures, il suffit en moyenne de 20 femtosecondes pour que les autres molécules d'eau réagissent et commencent à s'organiser afin de piéger sur place cet électron. Si l'état final, et même le temps mis pour former complètement un amas, commencent à être bien connus, les détails du processus de formation et les différentes échelles de temps associées ne le sont pas.

C'est donc un premier pas pour en apprendre plus et cela pourrait un jour déboucher sur une révolution en chimie. De manière générale, des structures avec des molécules d'eau formant des cages, ressemblant aux fullerènes, sont potentiellement très importantes et certains spéculent même sur leur rôle en astrophysique ou comme dépolluant.

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