Il meccanismo di Grotthuss, proposto nel 1806, descrive il trasporto di protoni in soluzione acquosa e altri solventi idrossilati. Nel meccanismo di Grotthuss, i protoni vengono trasferiti tra le molecole d'acqua attraverso una serie di riarrangiamenti dei legami idrogeno. Questo processo può essere rappresentato come:

H3O+ + H2O → H2O + H3O+

In questa reazione, il protone (H+) viene trasferito dallo ione idronio (H3O+) ad una molecola d'acqua. La molecola d'acqua diventa quindi un nuovo ione idronio e il processo può continuare.

Il meccanismo di Grotthuss è un processo cooperativo, nel senso che il trasferimento di protoni è facilitato dalle molecole d'acqua circostanti. Questo perché le molecole d'acqua sono legate tra loro da legami idrogeno e questi legami idrogeno possono essere riorganizzati per consentire ai protoni di muoversi attraverso la soluzione.

Il meccanismo di Grotthuss è un modo molto efficiente per trasportare i protoni nell'acqua. Si stima che i protoni possano viaggiare nell'acqua ad una velocità fino a 10^7 cm/s.

Meccanismo autonomo

Il meccanismo Eigen, proposto nel 1964, è un meccanismo diverso per il trasporto dei protoni nell'acqua. Nel meccanismo Eigen, i protoni vengono trasferiti tra le molecole d'acqua attraverso una serie di reazioni di salto protonico. Questo processo può essere rappresentato come:

H3O+ + H2O → OH- + H2O + H+

In questa reazione, il protone (H+) viene trasferito dallo ione idronio (H3O+) a una molecola d'acqua, dando luogo alla formazione di uno ione idrossido (OH-) e di una molecola d'acqua. Il protone può quindi saltare su un'altra molecola d'acqua e il processo può continuare.

Il meccanismo Eigen è un processo non cooperativo, nel senso che il trasferimento di protoni non richiede la partecipazione delle molecole d'acqua circostanti. Questo perché le reazioni di salto protonico possono verificarsi tra due molecole d'acqua qualsiasi sufficientemente vicine tra loro.

Il meccanismo Eigen non è efficiente quanto il meccanismo di Grotthuss per il trasporto di protoni nell'acqua. Si stima che i protoni possano viaggiare nell'acqua ad una velocità fino a 10^5 cm/s.

In sintesi, il meccanismo Grotthuss e il meccanismo Eigen sono i due principali meccanismi per il trasporto dei protoni nell'acqua. Il meccanismo Grotthuss è più efficiente, ma il meccanismo Eigen può verificarsi in ambienti più ristretti.