Como os íons recolhem moléculas de água ao seu redor

Viver de Luz, Documentário Alemão mais abrangente sobre o tema. (Julho 2019).

Anonim

Partículas carregadas em soluções aquosas são sempre rodeadas por uma camada de moléculas de água. No entanto, ainda há muita coisa desconhecida sobre a natureza dessa chamada camada de hidratação. Usando a espectroscopia terahertz, os químicos da Bochum obtiveram novos insights sobre como um íon afeta as moléculas de água em seu ambiente. Prof Dr. Martina Havenith, Dr. Gerhard Schwaab e Dr. Federico Sebastiani da cadeira de físico-química II da Ruhr-Universität Bochum (RUB) fornecem uma visão geral dos resultados dos experimentos na revista Angewandte Chemie em julho de 2018.

"A camada de hidratação dos íons é extremamente importante para a compreensão de processos fundamentais, como o transporte de íons através de membranas ou baterias", diz Martina Havenith, porta-voz do Cluster of Excellence do Ruhr Explores Solvation. "No entanto, questões aparentemente simples, como o tamanho da camada de hidratação ou a ocorrência de formação de pares iônicos, ainda permanecem sem resposta."

Novos métodos espectroscópicos desenvolvidos

Na Ruhr-Universität Bochum, a equipe de Martina Havenith aborda essa questão com métodos espectroscópicos desenvolvidos internamente. Os pesquisadores enviam pulsos curtos de radiação na faixa de terahertz, ou seja, com um comprimento de onda de apenas um milímetro, através da amostra. A mistura absorve a radiação em diferentes graus em diferentes faixas de freqüência, o que é feito visível na forma de um espectro. O espectro, isto é, o padrão de absorção, revela algo sobre o movimento de certas ligações nas moléculas investigadas, por exemplo, sobre ligações de hidrogênio em uma rede de água.

O grupo Bochum desenvolveu técnicas especiais usando radiação terahertz de baixa frequência para determinar o tamanho do reservatório de hidratação, ou seja, o número de moléculas de água que são afetadas por um íon. Eles matematicamente quebram o padrão de absorção registrado em seus componentes e podem, assim, identificar as partes no espectro que revelam algo sobre íons individuais ou pares de íons.

Resolvendo moléculas de água no casco de hidratação

O resultado: Cascas de hidratação com um tamanho entre duas e 21 moléculas de água foram determinadas para mais de 37 sais investigados. O número depende, por exemplo, do tamanho do íon e de sua valência. Os íons de carga única geralmente afetam menos moléculas de água do que os íons de carga múltipla. "No entanto, isso não é totalmente sistemático, mas também depende do cátion ou ânion presente", explica Martina Havenith.

Os pesquisadores usam seu método para determinar o chamado número efetivo de moléculas de água, que é o número mínimo de moléculas de água que é afetado por um íon, ou seja, que não pode se mover tão livremente quanto a água circundante não afetada. Devido à carga positiva ou negativa de um íon, as moléculas de água com seus átomos de hidrogênio parcialmente carregados positivamente ou seu átomo de oxigênio parcialmente carregado negativamente se alinham com o íon. "O efeito do íon nas moléculas de água diminui gradualmente com a distância", explica Havenith. "Assim, nem sempre há um limite claro entre as moléculas de água afetadas e não afetadas". A equipe, portanto, especifica um número mínimo para o tamanho do shell de hidratação.

Pares de íons estudados

No entanto, o grupo de Bochum lidou não apenas com íons individuais, mas também com pares de cátions e ânions. As moléculas de água afetam a formação do par iônico. Eles podem formar um casco de hidratação em torno dos dois parceiros ou separar cascas em torno de cátions e ânions. A equipe é capaz de estimar quantas moléculas de água essas conchas consistem. "Para saber quantas moléculas de água envolvem um cloreto de ferro, não é suficiente saber quantas moléculas de água são afetadas por um único íon cloreto e quantas por um único íon de ferro", explica Havenith. Este não é um processo aditivo simples.

"Em geral, nossos resultados mostram claramente que os efeitos cooperativos, e não as propriedades individuais dos íons, são decisivos", resume o pesquisador. Portanto, não é suficiente conhecer uma única propriedade iônica para prever como um sal afetará as moléculas de água em seu ambiente. Em vez disso, vários parâmetros, como a densidade de carga ou a combinação do ânion cátion determinarão se um par de íons é formado.

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