Conductia protonica

Conductia protonica

Odata cu descoperirea conductibilitatii ghetei acum mai mult de 100 de ani in urma in Japonia, transportul protonului in solide a trezit un interes deosebit.

Conductia protonica este un caz particular al conductiei ionice. Dat fiind insa faptul ca protonul poseda cea mai mare mobilitate dintre ioni, reactiile cu transfer de proton de la o specie la alta, sunt reactii rapide ale caror viteze se pot determina experimental [7]. Protonul fiind total lipsit de patura de electroni, are o raza de circa 10⁵ ori mai mica decat a altor cationi. Ca urmare, in reactiile sale nu necesita vreo geometrie speciala de orientare, ceea ce alaturi de masa sa mica ii confera o mobilitate exceptionala.

Usurinta de transfer a protonului sta la baza conceptiei lui Bronsted despre acizi si baze. Astfel, el defineste drept acid orice specie care are tendinta de a pierde un proton si baza, specia capabila sa-l castige.

Fenomenele de transport de protoni au fost studiate extensiv din diferite puncte de vedere, privind stiinta materialelor, chimie, fizica si biologie.

Este bine cunoscut faptul ca difuzia protonilor conduce la aparitia conductibilitatii protonice cu implicatii mari in procese catalitice [13]. Thomas si Harvey in 1971 [14] au incercat sa studieze fenomene legate de conductia protonica prin masuratori de conductie electrica pe granule de catalizatori metalici suportati pe oxizi nereductibili. Acestia au stabilit pe o serie de catalizatori de Rh, Pt, Ru, Pd suportati pe Al₂O₃ sau pe SiO₂, redusi in curent de hidrogen sau numai uscati in curent de azot, o comportare tipica de conductori de natura protonica sau electronica de tip n. Domeniul de energii de activare a conductiei evaluat intre 33 si 113 kJ/mol pentru intreg setul de catalizatori s-a dovedit a fi comparabil cu domeniul de energii de activare pentru unele reactii catalitice. Studiul efectelor reducerii, umiditatii si ale concentratiei de metal in catalizator asupra conductibilitatii a condus la urmatoarele concluzii:

reducerea catalizatorilor provoaca scaderea energiei de activare;

cresterea concentratiei de metal nu determina aparitia unor variatii mari ale energiilor de activare a conductiei pe catalizatori redusi;

efectul umiditatii este notabil pe catalizatori redusi, conducand la o scadere a energiei de activare cu cel putin 41.8 kJ/mol.

O intrebare majora si fundamentala la care autorii n-au fost in masura sa raspunda a fost cea privind natura conductibilitatii intregistrate si anume, daca aceasta a fost de provenienta protonica sau electronica. Alte studii [15] au adus dovezi experimentale in sprijinul coexistentei celor doua tipuri de conductie, atunci cand pe catalizatori de tipul Pt/Al₂O₃ evolueaza specii de apa si/sau de hidrogen.

La contactul cu un metal, protonul, fiind un ion lipsit de invelisul sau electronic, interactioneaza puternic cu densitatea de electroni delocalizati ai benzii de conductie metalice, conferindu-i acesteia un caracter H1s [13]. In aceasta interactie protonul poate fi considerat ca fiind o parte a unui hidrogen cu un anumit caracter protonic sau de hidrura, acesta depinzand mai degraba de faptul daca energia starii H1s este mai inalta sau mai scazuta decat energia Fermi a metalului pur.