Cómo el agua benigna se transforma en el duro peróxido de hidrógeno

Un nuevo estudio ha dado una base más sólida a una notable e inesperada génesis química

05.08.2022 - Estados Unidos

Ya en 2019, investigadores de la Universidad de Stanford y sus colegas revelaron el sorprendente descubrimiento de que el peróxido de hidrógeno -una sustancia cáustica utilizada para desinfectar superficies y blanquear el cabello- se forma espontáneamente en gotas microscópicas de agua ordinaria y benigna. Desde entonces, los investigadores han tratado de averiguar cómo se produce la nueva reacción, así como de explorar posibles aplicaciones, como los métodos de limpieza más ecológicos.

El último estudio ha revelado que cuando las microgotas de agua pulverizadas chocan con una superficie sólida, se produce un fenómeno conocido como electrificación por contacto. La carga eléctrica salta entre los dos materiales, líquido y sólido, produciendo fragmentos moleculares inestables llamados especies reactivas de oxígeno. Las parejas de estas especies, conocidas como radicales hidroxilos, y que tienen la fórmula química OH, pueden combinarse entonces para formar peróxido de hidrógeno, H₂O₂, en cantidades minúsculas pero detectables.

El nuevo estudio demostró además que este proceso se produce en ambientes húmedos cuando el agua entra en contacto con las partículas del suelo, así como con las partículas finas de la atmósfera. Estos hallazgos adicionales sugieren que el agua puede transformarse en pequeñas cantidades de especies reactivas de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno, en cualquier lugar en el que se formen microgotas de forma natural, incluso en nieblas, neblinas y gotas de lluvia, lo que refuerza los resultados de un estudio relacionado de 2020.

"Ahora tenemos una comprensión real que no teníamos antes sobre lo que está causando esta formación de peróxido de hidrógeno", dijo el autor principal del estudio, Richard Zare, el Profesor Marguerite Blake Wilbur en Ciencias Naturales y un profesor de química en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford. "Además, parece que la electrificación por contacto que produce peróxido de hidrógeno es un fenómeno universal en las interfaces agua-sólido".

Zare dirigió este trabajo, colaborando con investigadores de dos universidades de China, la Universidad de Jianghan y la Universidad de Wuhan, así como con la Academia China de Ciencias.

Sobre el origen del peróxido de hidrógeno

Para el estudio, los investigadores construyeron un aparato de vidrio con canales microscópicos en los que se podía inyectar agua a la fuerza. Los canales formaban una frontera hermética entre el agua y el sólido. Los investigadores perfundieron el agua con un colorante fluorescente que brilla en presencia de peróxido de hidrógeno. Un experimento demostró la presencia de la sustancia química agresiva en el canal microfluídico de vidrio, pero no en una muestra de agua a granel que también contenía el tinte. Otros experimentos demostraron que el peróxido de hidrógeno se formaba rápidamente, en cuestión de segundos, en el límite entre el agua y el sólido.

Para determinar si el átomo de oxígeno adicional en el peróxido de hidrógeno (H2O2) procedía de una reacción con el vidrio o dentro del propio agua (H2O), los investigadores trataron el revestimiento de vidrio de algunos canales microfluídicos. Estos canales tratados contenían un isótopo o versión más pesada del oxígeno, denominado oxígeno-18 o ^18O. Al comparar la mezcla de agua y peróxido de hidrógeno posterior a la reacción de los canales tratados y no tratados, se observó la señal de ^18Oen los primeros, lo que implica que el sólido es la fuente del oxígeno en los radicales hidroxilo y, en última instancia, en el peróxido de hidrógeno.

Los nuevos hallazgos podrían ayudar a zanjar parte del debate que se ha suscitado en la comunidad científica desde que los investigadores de Stanford anunciaron inicialmente su novedosa detección de peróxido de hidrógeno en microgotas de agua hace tres años. Otros estudios han destacado la importante contribución de la producción de peróxido de hidrógeno a través de las interacciones químicas con el gas ozono, O3, y de un proceso llamado cavitación, cuando surgen burbujas de vapor en zonas de baja presión dentro de líquidos acelerados. Zare señaló que ambos procesos también producen claramente peróxido de hidrógeno, y en cantidades comparativamente mayores.

"Todos estos procesos contribuyen a la producción de peróxido de hidrógeno, pero el presente trabajo confirma que esta producción también es intrínseca a la forma en que se forman las microgotas e interactúan con las superficies sólidas a través de la electrificación por contacto", dijo Zare.

Dando la vuelta a los virus respiratorios estacionales

Zare explicó que determinar cómo y en qué situaciones el agua puede transformarse en especies reactivas de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno, tiene una gran cantidad de conocimientos y aplicaciones en el mundo real. Una de las más interesantes es comprender que la formación de radicales hidroxilos y peróxido de hidrógeno contribuye a la conocida estacionalidad de muchas enfermedades respiratorias virales, como los resfriados, las gripes y, probablemente, el COVID-19, una vez que la enfermedad sea totalmente endémica.

Las infecciones respiratorias víricas se transmiten en el aire en forma de gotas acuosas cuando las personas enfermas tosen, estornudan, cantan o incluso simplemente hablan. Estas infecciones tienden a aumentar en invierno y a disminuir en verano, una tendencia que se atribuye en parte a que la gente pasa más tiempo en el interior y en estrecha proximidad transmisible durante la estación fría. Sin embargo, entre el trabajo, la escuela y el sueño nocturno, la gente acaba pasando la misma cantidad de tiempo en el interior durante los meses de calor. Zare dijo que los resultados del nuevo estudio ofrecen una posible explicación de por qué el invierno está correlacionado con más casos de gripe: La variable clave es la humedad, la cantidad de agua en el aire. En verano, los niveles relativos más altos de humedad en el interior -vinculados a una mayor humedad en el aire caliente del exterior- probablemente facilitan que las especies reactivas del oxígeno en las gotas tengan tiempo suficiente para matar los virus. Por el contrario, en invierno, cuando el aire del interior de los edificios se calienta y su humedad disminuye, las gotas se evaporan antes de que las especies reactivas del oxígeno puedan actuar como desinfectantes.

"La electrificación por contacto proporciona una base química para explicar en parte por qué hay estacionalidad en las enfermedades respiratorias virales", dijo Zare. En consecuencia, añadió Zare, las investigaciones futuras deberán estudiar cualquier relación entre los niveles de humedad interior de los edificios y la presencia y propagación de los contagios. Si se confirman estos vínculos, basta con añadir humidificadores a los sistemas de calefacción, ventilación y refrigeración para reducir la transmisión de enfermedades.

"Adoptar un nuevo enfoque para la desinfección de superficies es sólo una de las grandes consecuencias prácticas de este trabajo relacionado con la química fundamental del agua en el medio ambiente", dijo Zare. "Esto demuestra que pensamos que sabemos mucho sobre el agua, una de las sustancias más comunes, pero luego somos humildes".

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