¿Cuántas moléculas de agua hacen falta para disolver el ácido clorhídrico?
Científicos del DESY han dado un paso significativo hacia la comprensión de los procesos de solvatación del ácido clorhídrico (HCl) a escala molecular. El HCI es un ácido prototípico que se utiliza a menudo en investigación y en la industria y que también interviene en la química atmosférica, por ejemplo en el crecimiento y la formación de partículas de aerosol. Una comprensión precisa de los procesos químicos a nivel molecular ayuda a predecir la contaminación atmosférica y, posiblemente, a controlar las reacciones catalíticas.
El científico Fan Xie en el laboratorio donde se puso a prueba el ácido clorhídrico.
DESY
El equipo de científicos dirigido por Melanie Schnell, científica principal del DESY y catedrática de Química Física de la Universidad de Kiel, caracterizó la configuración estructural y electrónica de grupos de ácido clorhídrico y agua midiendo con precisión el acoplamiento entre el espín nuclear del cloro y el momento angular total del HCl unido a una cantidad creciente de moléculas de agua. Este acoplamiento es muy sensible al entorno electrónico del átomo de cloro y, por tanto, a su situación de enlace. En una publicación reciente en la revista científica "Science", revelaron que se necesitan al menos cinco moléculas de agua para que la molécula de HCl se disocie espontáneamente, desencadenada por una configuración de tres enlaces de hidrógeno.
Las sustancias presentan propiedades muy diferentes en sus formas gaseosas aisladas en comparación con sus formas condensadas. Por ejemplo, en fase gaseosa, el HCl es una molécula con un enlace covalente, pero en disolución con agua, el HCl se disocia en un anión cloro (Cl-) y un catión hidrógeno (H+), que se combinarán con una de las moléculas de agua (H2O) circundantes para formar una especie denominada hidronio, H3O+. Añadiendo una a una moléculas de agua al ácido clorhídrico, los científicos pueden comprender mejor cómo se produce este proceso de disociación y cómo evoluciona la reactividad en función del tamaño. Esto es crucial para comprender diversos procesos químicos fundamentales a nivel molecular, por ejemplo, el crecimiento y la formación de partículas de aerosol que contribuyen a la contaminación atmosférica o las reacciones catalíticas en superficies.
El HCl es uno de los ácidos fuertes más utilizados en la investigación y la industria. Anteriormente, estudios espectroscópicos pioneros han caracterizado con éxito las estructuras de grupos de HCl con hasta tres moléculas de agua. En esta fase de agregación, no se observó la disociación del HCl. Con cuatro o más moléculas de agua, los cálculos teóricos predijeron esta disociación del HCl. Los hidratos de HCl correspondientes evolucionaron hacia estructuras tridimensionales con muchas posibles disposiciones distintas y parecidas. A temperatura ambiente, estas estructuras se convierten rápidamente unas en otras. De ahí que sea todo un reto captar y analizar estos procesos.
El grupo dirigido por Melanie Schnell utilizó una expansión supersónica para congelar y aislar las estructuras de los cúmulos de HCl-agua en el vacío. Durante esta expansión supersónica, las moléculas de HCl y agua se expanden desde condiciones a altas presiones hasta presiones muy bajas en una cámara de vacío a través de un pequeño orificio. Durante este proceso de expansión, las moléculas chocan entre sí y con un gas portador inerte. Estas colisiones provocan un cambio de la energía interna de las moléculas a energía cinética muy dirigida. De este modo, las moléculas se enfrían mucho, normalmente 1-2 K, es decir, cerca del cero absoluto, y a una temperatura tan baja, las moléculas empiezan a condensarse. Forman cúmulos.
Los cúmulos de HCl-agua se irradiaron con radiación de microondas para obtener sus firmas rotacionales. Estas firmas rotacionales contienen la información estructural detallada de los cúmulos de HCl-agua y, por tanto, permiten identificar sin ambigüedad las distintas disposiciones estructurales. Y lo que es más importante, el acoplamiento entre el espín nuclear del cloro y el momento angular de los cúmulos, que están asociados a estas firmas rotacionales, puede revelarse con espectroscopia de microondas como una estructura hiperfina característica adicional en los espectros. Esta estructura hiperfina está fuertemente influenciada por la distribución de electrones alrededor del núcleo de cloro, es decir, su situación de enlace. Como consecuencia, el análisis de esta estructura hiperfina proporciona información directa sobre si la unidad H-Cl en estos grupos está enlazada covalentemente o disociada (iónica), en función del número de moléculas de agua circundantes.
Esta investigación está estrechamente relacionada con las actividades del Centro para la Ciencia del Agua Molecular (CMWS), que aborda el papel del agua molecular en entornos tan diversos como el clima, la energía y la salud.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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