Wissenschaftlern der Universität Basel und des Hamburger Instituts "Center for Free-Electron Laser Science" ist es erstmals gelungen, die beiden flüssigen Bestandteile des Wassers zu trennen und dabei zu zeigen, dass sie unterschiedliche chemische Reaktivitäten aufweisen können.
Wasser
Gemeinhin geht man davon aus, dass Wsser nur aus einer Flüssigkeit besteht. Dem ist aber nicht so.
Wasser ist nicht gleich Wasser, denn seine Moleküle kommen in zwei verschiedenen Formen mit fast identischen physikalischen Eigenschaften vor. [...]

In einem Wasserglas befinden sich also genau genommen zwei Flüssigkeiten.

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Wie das Team um Prof. Dr. Stefan Willitsch in Basel gemeinsam mit Kollegen aus Hamburg in ihrem neuen Bericht im Fachjournal Nature Communications erläutern:
ist Wasser chemisch betrachtet ein Molekül, in dem ein einzelnes Sauerstoffatom mit zwei Wasserstoffatomen verknüpft ist. "Weniger bekannt ist, dass Wasser auf molekularer Ebene in zwei unterschiedlichen Formen (sog. Isomeren) existiert. Die Unterscheidung liegt in der Orientierung der Kernspins der beiden Wasserstoffatome. Je nachdem, ob die Spins der beiden Wasserstoffkerne im Molekül gleich oder entgegengesetzt ausgerichtet sind, spricht man von ortho- oder para-Wasser.

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Da "die beiden Isomere fast identische physikalische Eigenschaften haben", ist ihre "Trennung besonders schwierig:
Die Wissenschaftler um Dr. Willitsch haben nun untersucht, wie sich die beiden Formen von Wasser in ihrer chemischen Reaktivität unterscheiden - also in ihrer Fähigkeit, eine chemische Reaktion einzugehen

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Den Wissenschaftlern ist es somit gelungen, die sogenannte "Chemie-Reaktion des Weltraums" durchzuführen:
Mit einer am Hamburger Institut neu entwickelten und auf elektrischen Feldern beruhenden Trennmethode konnten die Forscher nun erstmals die sozusagen "vorsortierten" Wasser-Isomere mit ultrakalten Diazenylium-Ionen (sog. protonierter Stickstoff) kontrolliert zur Reaktion bringen. Dabei überträgt ein Diazenylium-Ion einen Wasserstoffkern auf ein Wassermolekül.
Diazenylium-Ionen
© Universität Basel, Departement Chemie
Grafische Darstellung der „vorsortierten“ ortho- und para-Wassermoleküle mit unterschiedlich orientierten Kernspins (blaue bzw. rote Pfeile). Diese reagieren unterschiedlich schnell mit Diazenylium-Ionen (Mitte links).
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Die Untersuchung hat unter anderem ergeben, dass "para-Wasser" um rund 25 Prozent schneller reagiert als "ortho-Wasser":
"Dieser Effekt konnte damit erklärt werden, dass der Kernspin auch die Drehbewegung der Wassermoleküle beeinflusst. Als Folge davon herrschen unterschiedlich starke Anziehungskräfte zwischen den Reaktionspartnern. Para-Wasser vermag seine Reaktionspartner stärker anzuziehen als die ortho-Form, was sich in einer erhöhten chemischen Reaktivität auswirkt. Computersimulationen bestätigten diese experimentellen Ergebnisse."

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Für das Experiment arbeiteten die Forscher mit den Molekülen nahe am absoluten Nullpunkt (etwa -273 °C), weil bei diesen extrem kalten Temperaturen ideale Bedingungen herrschen, um Quantenzustände und damit den Energieinhalt einzelner Moleküle zu definieren und diese kontrolliert zur Reaktion zu bringen.
Zum Versuchsaufbau erklärt Willitsch: "Je kontrollierter man die Zustände der beteiligten Partikel einer chemischen Reaktion definieren kann, um so präziser lassen sich auch die zu Grunde liegenden Mechanismen und die Dynamik einer Reaktion untersuchen und verstehen".

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