حالت گذار به حالت طی شده میان آغاز و پایان واکنش گفته می‌شود. گروهی از پژوهشگران انستیوی MIT توانسته‌اند به یک الگوی مشخص برای بررسی حالت گذار دست یابند و در پی آن یک رابطه‌ی فرمولی برای محاسبه‌ی انرژی حالت گذار ارائه داده‌اند.

مشاهده‌ی تصاویری از لحظه‌ی وقوع واکنش شیمیایی

شیمی همواره بیش از هر زمینه‌ی علمی دیگری، رازآلود و جادویی به نظر می‌رسد. در این علم شما می‌توانید دو یا چند ماده‌ی مختلف را با هم بیامیزید و ناگهان با فراورده‌ای روبرو شوید که به طور کامل با آنچه‌ که پیش از انجام واکنش در اختیار داشتید، متفاوت باشد. دانشمندان MIT، برای نخستین بار توانسته‌اند شکل‌های بسیار زودگذری که در هنگام روی دادن واکنش شیمیایی پدید می‌آید را مشاهده کنند.

آنها انرژی حالت گذار یک واکنش شیمیایی را اندازه گیری کرده‌اند که پیش از این فکر می‌شد به علت پیچیده بودن ساختار مواد شیمیایی نمی‌توان آن را به روش مستقیم اندازه‌ گرفت. حالت گذار در واقع فاز اولیه‌ی واکنش شیمیایی است که در آن بین واکنش‌دهنده‌ها و فراورده‌ها واکنش انجام می‌شود. جان بارابان (John Baraban) یکی از اعضای گروه پژوهش در این باره می‌گوید:

واکنش‌دهنده‌ها و فراورده‌ها همانند دو قله‌ی از یک کوهستان هستند و حالت گذار هم مانند گذرگاهی است که بین آن دو پدید آمده باشد. این گذرگاه در واقع نزدیک‌ترین و دردسترس‌ترین مسیری است که واکنش برای انجام شدن از آن استفاده می‌کند. چون این مرحله فقط در حین انجام واکنش و به عبارتی در گذرگاه بین دو کوه وجود دارد بنابراین امکان بررسی و پژوهش ریز آن وجود ندارد.

این گروه یک فرایند شیمیایی به نام همپاری (isometrization) را مورد بررسی قرار دادند. در این فرایند، یک مولکول به مولکول دیگری تغییر می‌یابد که دارای همان اتم‌هاست ولی از دیدگاه چینش و آرایش اتم‌ها با اتم اولیه ناهمسان است. پژوهشگران در این آزمایش مولکول‌های استیلن را مورد بررسی قرار دادند. استیلن هیدروکربنی بی‌رنگ و سمی و بسیار آتشگیر است که از واکنش آب و کاربید به دست می‌آید و در جوشکاری هم به کار برده می‌شود. این مولکول از دو کربن ساخته شده است که دو اتم کربن با هم پیوند دارند و به هر کربن هم یک اتم هیدروژن پیوسته است.

گروه در این کار که در مجله‌ی ساینس هم مقاله‌ای در باره‌اش منتشر شده، مشاهده کردند که مولکول‌ها از یک حالت U شکل (حالتی که در آن اتم‌های هیدروژن بالای کربن‌ها قرار دارند.) به یک شکل زیگزاگی (یک هیدروژن بالای اتم کربن و هیدروژن دیگر در پایین اتم کربن قرار دارد.) تغییر می‌یابند. دلیل این پدیده آن است که اتم‌های درون مولکول می‌لرزند و با انتقال انرژی هر چه بیشتر به مولکول، اتم‌ها با سرعت بیشتری لرزش می‌کنند. پژوهشگران حالت‌های لرزش در مولکول استیلن را سنجیده و در پی آن به یک الگوی مشخص برای حالتی که انرژی بیشتری به آنها داده می‌شد دست یافتند. الگوی پیش‌بینی شده وقتی که مولکلول به یک مرز معینی از انرژی می‌رسید در هم می‌شکت و در محدوده‌ی انرژی بیشتر از آن مرز، مولکول در فرکانس‌های پایین‌تری شروع به نشان دادن انرژی لرزشی می‌کند. در واقع این همان فرایندی است که در تعریف فرایند همپاری به آن اشاره کردیم. بارابان در این مورد می‌گوید:

ما دریافتیم که اندازه‌ی این مرز انرژی مشخص به نوع آن تغییر ساختاری که قرار است در ماده روی دهد بستگی دارد و منظور از این تغییرات همان‌هایی هستند که در حالت گذار میان ساختارهای اولیه و پایانی پدید می‌آید.

پژوهشگران این گروه تنها به مشاهده‌ی انجام شده بسنده نکردند و برای محاسبه‌ی این حالت گذار توانستند به یک فرمول دست پیدا کنند. این فرمول به شیمیدان‌ها کمک می‌کند که بتوانند نرخ (rate) انجام واکنش را پیدا کنند. با اینکه این فرمول از فرایند همپاری به دست آمده است. اما پژوهشگران باور دارند که از آن می‌توان برای واکنش‌های شیمیایی دیگر هم به خوبی بهره برد.

منبع: زومیت