Protonhopping, rask forflytning av protoner (H+) via et nettverk av vannmolekyler bundet sammen med hydrogenbindinger. Protoner binder seg til vannmolekyler (H2O), danner hydronionioner (H3O+), og vann blir ionisert:

  • 2H2O ⇔ H3O+ + OH-

Vannklynger danner et transportsystem for protoner, hvor protoner hopper fra vannmolekyl til vannmolekyl. Protonhoppingen skjer via en Grotthussmekanisme, oppkalt etter den tyske kjemikeren Theodor von Grotthuss (1785–1822).

  • H3O+...H2O...H2O...H2O... → H2O...H3O+...H2O...H2O... → H2O...H2O...H3O+...H2O...

Protonhopping er med å forklarer hvorfor protoner diffunderer så raskt i et elektrisk felt, sammenlignet med andre kationer. Over cellemembraner er det alltid et elektrisk felt i form av et membranpotensial. Man tenker seg at også hydroksylioner (OH-) kan forflytte seg via en lignende Grotthussmekanisme, men går saktere. Protonhoppingen er en hopp- og snumekanisme, med brudd og redannelse av bindinger. Først hopper protonet over til neste vannmolekyl, molekylet snur seg, og gir mulighet for bytte av den kovalente bindingen mellom hydrogen (H) og oksygen (O) i vann. Et frigitt proton kan hoppe til neste vannmolekyl osv. Protonhopping skjer ikke bare i væskefase, men kan også skje i fastfase, noe som er av interesse i brenselcelleteknologi.

Protoner og protongradienter (Mitchells kjemiosmotiske hypotese) spiller sammen med transport av elektroner en fundamental rolle i energimetabolismen, ionebytting og transportsystemer i alle levende organismer. Et hydrogenatom består av et proton med positiv ladning og et elektron med negativ ladning. Det er nær sammenheng mellom forflytning av elektroner og protoner i alt levende, blant annet i cellerespirasjon og fotosyntese, hvor kinoner deltar i transport av protoner.

Kanalrhodopsiner er membranproteiner og blåttlysdrevet kationkanaler som kan overføre protoner og andre kationer langs en konsentrasjonsgradient over cellemembraner. Kanalrhodopsiner er viktige for synssans og fototaksis hos alger, de deltar i protonaktivert bioluminiscens hos dinoflagellater, og i bevegelse av flageller hos bakterier. Peptidantibiotikumet gramicidin virker ved å lage porer og kationkanaler i membraner.

Alle molekyler i en organisme er omgitt av en vannkappe. Vann er universalløsningsmiddelet i alt levende, og sammenhengskreftene (kohesjon) og vedhengskreftene (adhesjon) gir vann unike egenskaper. Vanligvis er et hydroniumion løst i gjennomsnittlig seks vannmolekyler (H3O+(H2O)6), men man kan også finne større hydratiseringskomplekser med opptil tyve vannmolekyler, H3O+(H2O)20. Andre vannkomplekser og vannklynger er Zundelkationet (H5O2+ ), oppkalt etter Georg Zundel, hvor to vannmolekyler deler et proton. Eigenkationet (H9O4+ ), oppkalt etter Manfred Eigen, har hydronium i sentrum bundet til tre vannmolekyler. Alle vannklynger gir mulighet for protonhopping. Vannkompleksene er temperaturavhengige med virrevanding og Brownske bevegelser. Vannmolekyler kan reagere med hverandre, autodissosiere og konsentrasjonen av H+ angis som surhetsgrad (pH) den negative Briggske logaritmen til konsentrasjonen av H+. Vannklynger deltar også ved frysepunktdepresjon.

Protonet med positiv ladning har svært liten størrelse sammenlignet med andre kationer som kalium (K+) og natrium (Na+) . Både elektroner og protoner er i kvantemekanisk størrelsesorden, noe som gir mulighet for at partiklene ikke går over energibarriærer, men passerer gjennom dem i kvantetunneler. Hydroniumionet (H3O+) befinner seg også andre steder i universet enn på Jorden, og har blant annet interesse innen astrobiologi.

Sommeren 2018 ble det mangel på CO2 i Europa fordi flere gjødselfabrikker som produserer ammoniumgjødsel var stengt. I tillegg ble det stans ved flere fabrikker som produserer mineralvann eller øl.

Ved Haber-Bosch-metoden blir det laget ammoniakk (NH3) i en reaksjon mellom nitrogen (N2) og hydrogen (H2)

N2 + 3H2→ 2NH3

Tidligere ble hydrogen produsert via elektrolyse av vann, men idag kommer hydrogen fra naturgass (metan, CH4).

CH4 + H2O → CO + 3H2

Hvis man tilfører vanndamp øker utbyttet, dampreformering av metan, men i tillegg til hydrogen anvendt i ammoniakkprodusjonen i gjødselfabrikker blir det dannet karbondioksid (CO2, O=C=O).

CO + H2O → CO2 + H2

Denne industrielt produkserte CO2 som et biprodukt fra ammoniumproduksjonen blir brukt i næringsmiddelindustrien som tilsetningsstoff i brus, sodavann og øl, eller til gasstett innpakking av matvarer i en pakning med økt innhold av CO2. Annen bruk av CO2 er i rensing av drikkevann og justering av pH. CO2 kan også bli brukt i avlivingsprossen av dyr i slakterier, og til nedkjøling.

Når CO2 dissosierer og blir løst i vann gir det ionegradienter som kan bli brukt til oppkonsentrering og fjerning av partikulært materiale i drikkevannet.

Når CO2 løses i vann (H2O) ved vannrensingen skjer reaksjonen:

CO2 + H2O ⇔ H+ + HCO3-

Ioniseringen gir protoner (H+) med diffusjonskoeffisient DH+ ca. 9.3·10-9 m2 s-1, mens hydrogenkarbonat (bikarbonat HCO3-) har diffusjonskoeffisient DHCO3- ca. 1.2·10-9 m2 s-1, altså en mye lavere diffusjonskoeffisient og diffusjonshastighet for bikarbonat sammenlignet med H+. Jfr. Ficks diffusjonslover . Diffusjonskoeffisenten er temperaturavhengig. I tillegg til forskjellig størrelse mellom H+ og HCO3- gir protonhopping rask forflytning av protoner i form av hydroniumioner.

Denne forskjellen i diffusjonshastighet gir et stort diffusjonspotensial. Oppløsning av CO2 gir bevegelse av kollidale parikler i vannsuspensjonen via diffusioforese. Diffusioforese er spontan og rask bevegelse av kolloider eller molekyler, en multikomponentdiffusjon som skyldes en konsentrasjonsgradient. Negativt ladete kolloider beveger seg raskt vekk fra faseovergangen mellom vann og gass. Diffusioforese er en effektiv og rimelig metode for å fjerne partikulært materiale i drikkevann, og erstatter bruk av kostbare filtere, hvis man ikke er så lur å bruker grunnvann som blir naturlig filtrert i sand.

  • de Grotthuss, CJT: Sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en dissolution à l'aide de l'électricité galvanique. Ann. Chim. 58 (1806) 54–7.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.