水分子无处不在,至关重要,可能有世界上最著名的化学分子式(H₂O)。水的性质是非常独特的;它的固态比液态密度小,压力的升高降低了它的熔点,尽管它的分子质量很低,但在室温下它还是以液体的形式存在。更独特的是水分子能够以两种截然不同的核构型存在,称为自旋异构体。

水分子的两个旋转异构体基于两个氢核的核旋转的方向不同。如果两个氢核具有平行的旋转,则该分子被称为邻邻水。如果两个氢核具有相反的旋转,则该分子被称为对水。室温下的水总是含有这两种旋转异构体的混合物,直到最近,它几乎不可能单独研究它们。

现在,在巴塞尔大学的Stefan Willitsch的一项研究成功地分离了两种形式的水,发现它们随着某些化学反应而变化。[1]本集团使用电场技术分离邻静脉和对水分子,然后用超级二亚苯基离子(N 2 H 4)反应这些。该反应类似于间隙空间中可能发生的内容,其中二亚亚鎓离子与水分子相互作用以形成氮分子(N 2)和氢化氢(H₃O⁺)。[1]

这些异构体的成功分离为今后的研究提供了广阔的前景。例如,能够产生具有特定核自旋的水样可以极大地提高核磁共振方法的灵敏度。科学家还可以研究这两种同分异构体在物理和化学上的差异。研究结果表明,对水与重氮化铵的反应速度比邻水快25%。这项研究提供了在接近绝对零度的温度下水的化学反应性的见解,并且可能对天体化学和星前云的研究特别有影响。

参考:
[1]https://www.nature.com/articles/s41467-018-04483-3
[2]https://physicsworld.com/a/water-isomers-separated-by-pin/