火曜日にネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された論文によると、科学者らは初めて水を2つの異性体に分離し、物質に対してどのように反応するかを調べることに成功した。
水分子は、パラ水とオルト水というわずかに異なる2つの構造のいずれかで存在することをご存知かもしれません。どちらも2つの水素原子が1つの酸素原子に結合しています。オルト水では、水素原子の核スピンは上向きまたは下向きで、同じ方向に並んでいます。一方、パラ水では、スピンは互いに反対方向を向いています。化学では、これら2つの形態は異性体と呼ばれます。
前述の論文の共著者であり、スイスのバーゼル大学の化学教授であるシュテファン・ヴィリッチ氏が率いるチームは、2種類の水が異なる化学的性質を持っているかどうかを調査することにした。
パラ水はオルト水よりも化学反応性が約25%高いことが判明しました。コンピューターシミュレーションでは、パラ水はオルト水よりも強く他の原子や分子を引き寄せて反応させることが示されました。今回のケースでは、パラ水は正に帯電したジアゼニリウム分子（N 2 H +）にプロトンを転移させ、オルト水よりも容易に窒素（N）とヒドロニウム（H 3 O +）を生成しました。この反応は宇宙空間で観測されています（H 2 O + N 2 H + → N 2 +H 3 O +）。
実際には、シミュレーション結果を確認するために水を異性体に分離するのは非常に困難でした。分子を絶対零度（-273℃、-459.67℉）近くまで冷却する必要があったからです。まず、水分子のビームを静電偏向器を通して照射しました。偏向器全体に最大15kVの電撃を与えることで電場を発生させ、分子をパラ水とオルト水に分離しました。
水分子が電界によってどのように分離されるかを示す図…クリックして拡大
クレジット: Ardita Kilaj、Hong Gao、Daniel Rösch、Uxia Rivero、Jochen Küpper、Stefan Willitsch
水素スピンの2つの向きにより、異性体は磁場を通過する際に分離しました。分離後、水分子は冷却されたN 2 H +イオンを含む線形四重極イオントラップに導かれ、反応しました。これらの反応の結果は分光計で調べられ、どの異性体がどこに移動したかが解明されました。
論文では、パラ水とオルト水を分離することの実用性については（もしあるとしても）明らかにされていないが、科学者が「広範囲のイオン中性プロセス」を研究するのに役立つかもしれないと述べられている。
「化学反応に関与する分子の状態をより良く制御できればできるほど、反応の根底にあるメカニズムとダイナミクスをより良く調査し、理解することができる」とウィリッチ教授は述べた。
パラ水とオルト水を分離する試みはこれまでにも行われてきました（例えば、ここで説明されているように）。しかし、スイスの大学によると、「研究者たちは初めて、この2つの形態を分離し、異なる化学反応性を示す可能性があることを示すことに成功した」とのことです。今日の楽しい化学豆知識。®
