Descifrada la estructura del agua supercrítica
Cuando se expone a altas temperaturas y presión, el agua entra en un estado en el que ya no se distingue entre líquido y gas. Durante mucho tiempo ha habido controversia sobre cómo es esto a nivel molecular.
Investigadores de la Universidad Ruhr de Bochum (Alemania) han arrojado luz sobre la estructura del agua supercrítica. En este estado, que existe a temperaturas y presiones extremas, el agua tiene las propiedades de un líquido y un gas al mismo tiempo. Según una teoría, las moléculas de agua forman agrupaciones dentro de las cuales se conectan mediante enlaces de hidrógeno. El equipo de Bochum ha refutado esta hipótesis mediante una combinación de espectroscopia de terahercios y simulaciones de dinámica molecular. Los resultados se han publicado en la revista Science Advances, en línea el 14 de marzo de 2025.
Los experimentalistas Dra. Katja Mauelshagen, Dr. Gerhard Schwaab y Profesora Martina Havenith de la Cátedra de Química Física II colaboraron con el Dr. Philipp Schienbein y el Profesor Dominik Marx de la Cátedra de Química Teórica. El proyecto contó con el apoyo del Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (RESOLV).
Agua supercrítica de interés como disolvente
El agua supercrítica se da de forma natural en la Tierra, por ejemplo en las profundidades marinas, donde las fumarolas negras -un tipo de respiraderos hidrotermales- crean duras condiciones en el lecho marino. El umbral del estado supercrítico se alcanza a 374 grados Celsius y una presión de 221 bares. "Comprender la estructura del agua supercrítica podría ayudarnos a arrojar luz sobre los procesos químicos en las proximidades de las fumarolas negras", afirma Dominik Marx, refiriéndose a un reciente artículo publicado por su grupo de investigación sobre este tema. "Debido a sus propiedades únicas, el agua supercrítica también resulta interesante como disolvente "verde" para reacciones químicas; esto se debe a que es respetuosa con el medio ambiente y, al mismo tiempo, altamente reactiva."
Para mejorar la utilidad del agua supercrítica, es necesario comprender con más detalle los procesos que se producen en su interior. El equipo de Martina Havenith utilizó para ello la espectroscopia de terahercios. Mientras que otros métodos espectroscópicos pueden emplearse para investigar los enlaces H dentro de una molécula, la espectroscopia de terahercios sondea con sensibilidad los enlaces de hidrógeno entre moléculas, lo que permitiría detectar la formación de cúmulos en el agua supercrítica, si los hubiera.
Medición de la célula bajo presión
"En los ensayos experimentales, aplicar este método al agua supercrítica supuso un enorme reto", explica Martina Havenith. "Necesitamos diámetros diez veces mayores para nuestras células de alta presión para espectroscopia de terahercios que en cualquier otro rango espectral, porque trabajamos con longitudes de onda más largas". Mientras trabajaba en su tesis doctoral, Katja Mauelshagen pasó incontables horas diseñando y construyendo una nueva célula adecuada y optimizándola para que pudiera soportar la presión y temperatura extremas a pesar de su tamaño.
Finalmente, los experimentadores consiguieron registrar datos del agua que estaba a punto de entrar en estado supercrítico, así como del propio estado supercrítico. Mientras que los espectros de terahercios del agua líquida y gaseosa diferían considerablemente, los del agua supercrítica y el estado gaseoso parecían prácticamente idénticos. Esto demuestra que las moléculas de agua forman tan pocos enlaces de hidrógeno en estado supercrítico como en estado gaseoso. "Esto significa que no hay agrupaciones moleculares en el agua supercrítica", concluye Gerhard Schwaab.
Un miembro del equipo de Dominik Marx, Philipp Schienbein, que calculó los procesos en agua supercrítica utilizando complejas simulaciones de dinámica molecular ab initio como parte de su tesis doctoral, llegó a la misma conclusión. Al igual que en el experimento, primero hubo que superar varios obstáculos, como determinar la posición exacta del punto crítico del agua en el laboratorio virtual.
Las simulaciones ab initio mostraron finalmente que dos moléculas de agua en estado supercrítico permanecen cerca la una de la otra sólo durante un breve espacio de tiempo antes de separarse. Al contrario que en un enlace de hidrógeno, los enlaces entre los átomos de hidrógeno y oxígeno no tienen una orientación preferente, que es una propiedad clave de los enlaces de hidrógeno. La dirección del enlace hidrógeno-oxígeno gira permanentemente. "Los enlaces que existen en este estado son extremadamente efímeros: 100 veces más cortos que un enlace de hidrógeno en agua líquida", subraya Philipp Schienbein. Los resultados de las simulaciones se ajustaron perfectamente a los datos experimentales, proporcionando ahora una imagen molecular detallada de la dinámica estructural del agua en estado supercrítico.
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