سازوکار گروتهوس - ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد

پروتون‌ها از طریق یک سری پیوندهای هیدروژنی بین یون‌های هیدرونیوم و مولکول‌های آب تونل می‌زنند.

سازوکار گروتهوس (همچنین به عنوان پرش پروتونی شناخته می‌شود) فرایندی است که توسط یک «اضافه» پروتون یا نقص پروتون در طول شبکه پیوندهای هیدروژنی از مولکول‌های آب یا مایعات دیگر با پیوند هیدروژنی با تشکل و گسست پیوندهای کووالانسی بین مولکول‌های مجاور منتشر می‌شود.

تئودور گروتوس در مقاله ۱۸۰۶ خود با عنوان «نظریه تجزیه مایعات توسط جریان‌های الکتریکی» نظریه هدایت آب را ارائه داد.^[۱] گروتوس واکنش الکترولیتی را نوعی «خط سطل» در نظر گرفت که در آن هر اتم اکسیژن به‌طور همزمان عبور می‌کند و یک یون هیدروژن دریافت می‌کند. در آن زمان پیشنهاد نظریه حیرت‌انگیزی بود، زیرا تصور می‌شد که مولکول آب OH است نه H ₂ O و وجود یونها کاملاً درک نشده‌است. در ۲۰۰ سالگی انتشار آن مقاله، مقاله وی توسط کوکیرمان ممجد بررسی شد.^[۲]

گرچه گروتوس از یک فرمول تجربی نادرست آب استفاده می‌کرد، توصیف وی از عبور پروتون‌ها از طریق همکاری مولکول‌های آب همسایه تأیید شد.

لمونت کی یر اظهار داشت که پریدن پروتون ممکن است مکانیسم مهمی برای انتقال عصبی باشد.^[۳]

مکانیسم انتقال پروتون و مکانیسم پریدن پروتون

مکانیسم گروتهوس اکنون یک نام کلی برای مکانیسم پریدن پروتون است. در آب مایع، حلالیت پروتون اضافی به دو شکل ایده‌آل می‌شود:⁺ H ₉ O ₄ (کاتیون ویژه) یا⁺ H ₅ O ₂ (کاتیون زوندل). در حالی که اعتقاد بر این است که مکانیزم حمل و نقل شامل تبدیل بین این دو ساختار حلال است، جزئیات مکانیسم انتقال و پرش هنوز مورد بحث است. در حال حاضر دو مکانیسم قابل قبول وجود دارد:

Eigen to Zundel to Eigen (E – Z – E)، بر اساس داده‌های تجربی NMR ,^[۴]
Zundel به Zundel (Z – Z)، بر اساس شبیه‌سازی دینامیک مولکولی.

انرژی محاسبه شده پوسته‌های حلالیت هیدرونیوم در سال ۲۰۰۷ گزارش شد و پیشنهاد شد که انرژی فعال سازی دو مکانیزم پیشنهادی با قدرت پیوند هیدروژن محاسبه شده آنها مطابقت ندارد، اما مکانیسم ۱ ممکن است کاندیدای بهتر این دو باشد.^[۵]

با استفاده از توابع توزیع شعاعی مشروط و وابسته به زمان (RDF)، نشان داده شد که RDF هیدرونیوم را می‌توان به دو ساختار مجزا، Eigen و Zundel تجزیه کرد. اولین قله در g (r) (همانRDF) ساختار ویژه شبیه تعادل، RDF استاندارد است که فقط کمی مرتب تر است، در حالی که اوج اول ساختار زوندل در واقع به دو قله تقسیم شده‌است. فرایند انتقال پروتون اصلی (PT) سپس ردیابی شد (پس از همگام سازی تمام وقایع PT به طوری که t = ۰ زمان وقوع واقعی باشد)، مشخص شد که هیدرونیوم واقعاً از حالت ویژه شروع می‌کند و به سرعت به حالت Zundel تبدیل می‌شود و همزمان که پروتون در حال انتقال است، اوج اول g (r) به دو قسمت تقسیم می‌شود.^[۶]

انتشار غیرعادی پروتون‌ها

مکانیسم گروتهوس، همراه با سبکی نسبی و اندازه کوچک (شعاع یونی ) پروتون، سرعت انتشار غیرمعمول زیاد پروتون را در یک میدان الکتریکی، نسبت به سایر کاتیون‌های معمول (جدول ۱) که حرکت آنها به سادگی ناشی از شتاب ناشی از میدان است، توضیح می‌دهد. حرکت حرارتی تصادفی با حرکت پروتون‌ها و سایر کاتیون‌ها مخالف است. از آنجا که تونل زنی کوانتومی هرچه جرم کاتیون کوچکتر باشد احتمالش بیشتر می‌شود و پروتون سبک‌ترین کاتیون پایدار ممکن است^{^{[نیازمند منبع]}} بنابراین از تونل کوانتومی نیز اثر جزئی وجود دارد، اگرچه فقط در دماهای پایین غلبه دارد.

Table 1
Cation	Mobility / cm²V⁻¹s⁻¹
NH₄⁺	0.763×10⁻³
Na⁺	0.519×10⁻³
K⁺	0.762×10⁻³
H⁺	3.62×10⁻³

منابع

↑ de Grotthuss, C.J.T. (1806). "Sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en dissolution à l'aide de l'électricité galvanique". Ann. Chim. 58: 54–73.
↑ Cukierman, Samuel (2006). "Et tu Grotthuss!". Biochimica et Biophysica Acta. 1757 (8): 876–8. doi:10.1016/j.bbabio.2005.12.001. PMID 16414007.
↑ Kier, Lemont B. (2016). "Proton Hopping as the Nerve Conduction Message". Current Computer-Aided Drug Design. 12 (4): 255–258. doi:10.2174/1573409912666160808092011. ISSN 1875-6697. PMID 27503744.
↑ Agmon, Noam (1995). "The Grotthuss mechanism". Chem. Phys. Lett. 244 (5–6): 456–462. Bibcode:1995CPL...244..456A. doi:10.1016/0009-2614(95)00905-J. Archived from the original on 2011-07-19. Retrieved 2007-04-10.
↑ Markovitch, Omer; Agmon, Noam (2007). "Structure and energetics of the hydronium hydration shells". J. Phys. Chem. A. 111 (12): 2253–6. Bibcode:2007JPCA..111.2253M. CiteSeerX 10.1.1.76.9448. doi:10.1021/jp068960g. PMID 17388314.
↑ Markovitch, Omer; et al. (2008). "Special Pair Dance and Partner Selection: Elementary Steps in Proton Transport in Liquid Water". J. Phys. Chem. B. 112 (31): 9456–9466. doi:10.1021/jp804018y. PMID 18630857.

پیوند به بیرون

Roberts, Sean T.; et al. (2011). "Proton Transfer in Concentrated Aqueous Hydroxide Visualized Using Ultrafast Infrared Spectroscopy" (PDF). The Journal of Physical Chemistry A. 115 (16): 3957–3972. Bibcode:2011JPCA..115.3957R. doi:10.1021/jp108474p. PMID 21314148. {{cite journal}}: |hdl-access= requires |hdl= (help)
HL فریدمن ، فلیکس فرانک ، محلولهای الکترولیتهای آبی ساده

[1] Grotthuss, C.J.T. (1806). "Sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en dissolution à l'aide de l'électricité galvanique". Ann. Chim. 58: 54–73.

[2] Cukierman, Samuel (2006). "Et tu Grotthuss!". Biochimica et Biophysica Acta. 1757 (8): 876–8. doi:10.1016/j.bbabio.2005.12.001. PMID 16414007.

[3] Kier, Lemont B. (2016). "Proton Hopping as the Nerve Conduction Message". Current Computer-Aided Drug Design. 12 (4): 255–258. doi:10.2174/1573409912666160808092011. ISSN 1875-6697. PMID 27503744.

[4] Agmon, Noam (1995). "The Grotthuss mechanism". Chem. Phys. Lett. 244 (5–6): 456–462. Bibcode:1995CPL...244..456A. doi:10.1016/0009-2614(95)00905-J. Archived from the original on 2011-07-19. Retrieved 2007-04-10.

[5] Markovitch, Omer; Agmon, Noam (2007). "Structure and energetics of the hydronium hydration shells". J. Phys. Chem. A. 111 (12): 2253–6. Bibcode:2007JPCA..111.2253M. CiteSeerX 10.1.1.76.9448. doi:10.1021/jp068960g. PMID 17388314.

[6] Markovitch, Omer; et al. (2008). "Special Pair Dance and Partner Selection: Elementary Steps in Proton Transport in Liquid Water". J. Phys. Chem. B. 112 (31): 9456–9466. doi:10.1021/jp804018y. PMID 18630857.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]