Les mécanismes réactionnels détaillés par lesquels les ions hydronium et hydroxyde isolés se neutralisent ont été observés par des groupes de recherche israéliens et suédois lors d'expériences avec des faisceaux d'ions. Les résultats diffèrent de ceux auxquels nous nous attendons dans l’eau liquide, mais pourraient aider à orienter les futures recherches sur ce qui constitue l’une des réactions chimiques les plus fondamentales. Les résultats pourraient également améliorer notre compréhension de la chimie de l’ionosphère et du milieu interstellaire.

L’autoionisation aléatoire et spontanée des molécules d’eau liquide en cations hydronium et anions hydroxyde, associée à leur neutralisation mutuelle, est l’une des réactions d’équilibre les plus importantes en chimie, sous-tendant les équilibres acide-base. Il est souvent admis que cela se fait par transfert stochastique de protons entre molécules d’eau. Mais il n’est actuellement pas possible d’étudier cela expérimentalement car la réaction d’autoionisation est défavorisée d’un facteur 107 par rapport à la neutralisation, il faudrait donc un échantillon énorme.

Une collaboration entre des chercheurs de l'Université hébraïque de Jérusalem, en Israël, et de l'Université de Stockholm a utilisé l'installation cryogénique à double anneau de stockage électrostatique à faisceaux d'ions de l'institution suédoise (Desiree) pour fusionner les faisceaux d'ions d'hydroxyde et d'hydronium, avant de détecter les produits de réaction neutres.

Dans cet environnement de faible densité, les chercheurs s’attendaient à ce que la majeure partie, voire la totalité, de la neutralisation se produise par transfert d’électrons, car celui-ci peut se produire à des distances interatomiques plus grandes que le transfert de protons. «Des expériences de neutralisation antérieures avaient été réalisées sur des ions atomiques, de sorte que le mécanisme de transfert de protons n'était même pas pris en compte», explique Daniel Strasser, responsable du projet. Les chercheurs ont détecté un rendement prédominant en produits de transfert d’électrons. Cependant, ils ont également découvert qu’environ deux pour cent des ions formaient des molécules d’eau par transfert de protons, ce qu’ils considèrent comme une limite inférieure. Les produits finaux les plus courants étaient une molécule d’eau, un radical hydroxyle et un atome d’hydrogène. Celles-ci pourraient être le résultat d'une réaction de transfert d'électrons produisant un radical hydronium neutre qui se désagrège ensuite, ou d'une réaction de transfert de protons produisant deux molécules d'eau, dont l'une se divise ensuite.

Les chercheurs pensent que leurs travaux pourraient être importants pour étudier les réactions dans l'ionosphère terrestre et dans le milieu interstellaire, où l'hydroxyde et l'hydronium produits par les rayonnements ionisants ont tous deux été détectés. De plus, ils pourraient être utilisés pour affiner les simulations chimiques quantiques de l’eau liquide. «Nous essayons de préparer notre expérience de manière à pouvoir appliquer les meilleures simulations de chimie quantique, de comparer et de voir si notre compréhension est correcte ou s'il y a place à des améliorations et à des corrections», explique Strasser. Les chercheurs espèrent qu’une meilleure compréhension du système isolé permettra aux théoriciens de mieux comprendre comment modéliser les phases gazeuse et liquide. Les chercheurs étudient actuellement l'effet du remplacement des atomes d'hydrogène par du deutérium et planifient de futures expériences avec des amas ioniques qui pourraient combler le fossé avec l'environnement liquide.

Robert Continetti, physico-chimiste expérimental de l'Université de Californie à San Diego, affirme que ces travaux constituent « un projet très important ». [study] sur une réaction très fondamentale ». «Cela constitue une référence pour comprendre l'eau liquide, même si c'est un peu difficile», dit-il. Continetti reconnaît que la présence d'un transfert de protons est une surprise et, interrogé sur d'éventuels travaux ultérieurs, suggère – spontanément – ​​d'étudier l'eau deutérée : « Cela pourrait probablement réduire la contribution du transfert de protons, car le deutérium est deux fois plus lourd que l'hydrogène et ne l'est pas. » Je n'ai pas non plus de tunnel.