GrotthussMechanismus

Der Grotthuss-Mechanismus, benannt nach Theodor von Grotthuss, beschreibt die schnelle Übertragung von Protonen in wässrigen Systemen durch einen Relay-Prozess der Wasserstoffbrücken. Anstatt dass sich ein einzelnes Proton über viele Moleküle hinweg physisch fortbewegt, wird der Proton durch Abgabe an benachbarte Wassermoleküle und gleichzeitige Umstrukturierung des Wasserstoffbrückenetzes weitergegeben. Dadurch entsteht eine effektive Relaiskette, die zur hohen Protonenleitfähigkeit beiträgt.

In Lösung bildet sich das Hydronium-Ion H3O+. Ein Proton wird von einem Wassermolekül auf das benachbarte Molekül übertragen, wodurch ein neues Hydronium entsteht und der ursprüngliche Ort des Protons rasch weitergegeben wird. Zwischenstufen, oft als Zundel- bzw. Eigen-Ionen bezeichnet, repräsentieren Konfigurationen wie H5O2+ bzw. H9O4+. Der Mechanismus erfordert nur kurze Umstrukturierungen der Wasserstoffbrücken und führt zu schneller Protonenleitung, die timescales im Picosekundenbereich erreichen kann. Die Leitung wird überwiegend durch Protonen-Relais betrieben; daneben existiert ein weniger effektiver Fahrzeugmechanismus, bei dem das Proton als Hydronium-Molekül durch den Lösungsmittelraum wandert.

Der Grotthuss-Mechanismus ist grundlegend für die Protonenleitfähigkeit von Wasser und hat Auswirkungen auf biologische Protonentransporte sowie auf elektrochemische Anwendungen wie Brennstoffzellen. In der Forschung wird er als dominanter Weg des Protonentransports in Wasser beschrieben, wobei moderne Arbeiten auch Simulationen und Erweiterungen auf andere Wasserstoffbrücken-Netzwerke berücksichtigen. Das Verständnis dieses Mechanismus hilft, Reaktionen in Lösungen und Materialien mit starker Wasserstoffbrückenbindung zu erklären.