Amsterdam (NL) – Nederlandse onderzoekers leveren het eerste experimentele bewijs voor het feit dat watermoleculen zich anders gedragen in aanwezigheid van opgeloste stoffen.


Op het FOM-instituut (Fundamenteel Onderzoek der Materie) voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam toonden de eerste onderzoekers ter wereld aan dat water zich in de buurt van ionen totaal anders gedraagt dan in aanwezigheid van andere watermoleculen. Deze opvatting heerste al langer, maar de techniek die het bewijs leverde opent nieuwe deuren. Zij kan ons meer leren over de reacties tussen ionen en moleculen in een waterig milieu, zoals deze bijvoorbeeld in elke cel plaatsvinden. Het onderzoek behaalde een publicatie in Science op 16 maart.
Het watermolecuul (H2O) bestaat uit twee positief geladen waterstofatomen (H⁺) die verbonden zijn met één negatief geladen zuurstofatoom (O^2–). Dit ladingsverschil maakt water tot een uitstekend oplosmiddel: het bindt zowel negatieve als positieve ionen. Deze ‘plakverbindingen’ maken vele belangrijke (bio)chemische reacties mogelijk. Daarom bestaat er ook grote interesse in de precieze sterkte en werking van deze bindingen.
Michel Kropman en Huib Bakker ontwikkelden de eerste techniek die ‘plakkende’ watermoleculen onderscheidt van gewone watermoleculen. Kropman en Bakker bestraalden een oplossing, bijvoorbeeld een mengsel van water en keukenzout met een korte laserpuls. Keukenzout, ofwel natriumchloride, lost in water op in natrium- en chloorionen (Na⁺ en Cl^–). Deze ionen gaan in water verbindingen aan met watermoleculen. Door de energie die de laser overgeeft aan de waterstofatomen gaan deze trillen ten opzichte van het zuurstofatoom. Deze trilling dempt snel uit, maar blijkt veel sneller te verdwijnen bij de gewone watermoleculen dan bij de watermoleculen die aan opgeloste ionen zoals chloride (Cl^–) geplakt zitten. Volgens Bakker komt dit door de massa van de ionen. “Een watermolecuul (met een molecuulmassa van 18) is erg licht in vergelijking tot andere moleculen en zelfs in vergelijking tot hun bouwstenen: atomen. Zo hebben het chloor- en het joodatoom molecuulmassa’s van respectievelijk 35 en 127. Zo’n zware massa neemt de energie slecht over van de trillende waterstofatomen. Deze trillen dan langer. Een oplossing van water en het zware jood houdt de energie dan ook relatief lang vast en de waterstofatomen in chlorideoplossingen trillen weer veel korter”, vertelt Bakker.

De bindingen van de waterstofatomen met het zuurstofatoom maken onderling een hoek van 109 graden. Het watermolecuul is sterker gebonden aan het opgeloste ion dan aan andere watermoleculen.

De resultaten van het onderzoek bewijzen dat watermoleculen vaak een relatief lang durende structuur vormen rond opgeloste ionen. Hierdoor komen de ionen moeilijk los van de waterstofatomen en kunnen ze minder snel deelnemen aan reacties met andere moleculen. Vanwege deze binding is water een oplosmiddel bij uitstek en kan het ook ionen transporteren naar andere delen van een cel of lichaam. “Daarentegen zorgt water – vanwege de sterke binding met de opgeloste ionen – ook voor vertraging van reacties waaraan ionen deelnemen”, aldus Bakker.

Ellen Althuizen