Campos elétricos invertem as regras da química da água
O hidrogénio é amplamente visto como uma fonte de energia chave para o futuro, o que torna fundamental compreender como a água é dividida durante a eletrólise. Cientistas do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros e do Departamento de Química Yusuf Hamied da Universidade de Cambridge examinaram mais de perto um processo intimamente relacionado, conhecido como autodissociação da água. Embora a química básica da divisão da água seja bem compreendida nas condições cotidianas, sabe-se muito menos sobre como a água se comporta dentro de dispositivos eletroquímicos onde estão presentes campos elétricos poderosos.
Em toda a natureza, sistemas grandes e pequenos seguem alguns princípios fundamentais. Os objetos caem porque isso diminui sua energia. Ao mesmo tempo, a ordem e a desordem influenciam fortemente o desenrolar dos processos físicos. Com o tempo, os sistemas tendem a ficar mais desordenados, algo que a maioria das pessoas reconhece na vida diária. Esta tendência à desordem também se aplica à escala molecular e é descrita por uma propriedade conhecida como entropia.
Energia e entropia juntas determinam se um processo químico acontece por conta própria. As reações ocorrem naturalmente quando a energia diminui ou quando a desordem aumenta. Em condições normais, como um copo de água, as moléculas de água raramente se quebram sozinhas porque o processo é desencorajado tanto pela energia quanto pela entropia. Contudo, quando são introduzidos campos eléctricos fortes, essa situação muda dramaticamente.
Um mecanismo surpreendente sob fortes campos elétricos
Pesquisadores do Instituto Max Planck e da Universidade de Cambridge descobriram agora um mecanismo inesperado que controla a autodissociação da água sob campos elétricos intensos. Seu estudo, publicado no Jornal da Sociedade Química Americanadesafia a suposição de longa data de que esta reação é controlada principalmente apenas pela energia.
“A autodissociação da água tem sido extensivamente estudada em condições de massa, onde se entende que é energeticamente ascendente e entropicamente dificultada”, diz Yair Litman, líder do grupo no Instituto Max Planck. “Mas sob fortes campos elétricos típicos de ambientes eletroquímicos, a reação se comporta de maneira muito diferente.”
Como os campos elétricos transformam a ordem em uma força motriz
Usando simulações avançadas de dinâmica molecular, Litman e o coautor Angelos Michaelides descobriram que campos elétricos fortes aumentam muito a dissociação da água de uma forma inesperada. Em vez de reduzir o custo energético da reação, o campo elétrico torna o processo favorável ao aumentar a entropia. O campo primeiro força as moléculas de água a um arranjo altamente ordenado. Quando os íons começam a se formar, essa estrutura se rompe, aumentando a desordem e impulsionando a reação.
“É uma inversão completa do que acontece no campo zero”, explica Litman. “Em vez de a entropia resistir à reação, ela agora a promove.”
Implicações para pH e projeto eletroquímico
Os pesquisadores também descobriram que fortes campos elétricos podem alterar significativamente a acidez da água. Sob estas condições, o pH pode cair de valores neutros (7) para valores altamente ácidos (tão baixos quanto 3). Esta mudança tem consequências importantes na forma como os sistemas eletroquímicos operam e como devem ser projetados.
“Esses resultados apontam para um novo paradigma”, diz Michaelides. “Para compreender e melhorar os dispositivos de divisão da água, precisamos de considerar não apenas a energia, mas a entropia – e como os campos eléctricos remodelam a paisagem molecular da água.”
As descobertas sugerem que os cientistas podem precisar repensar como as reações químicas na água são modeladas quando campos elétricos estão envolvidos. Eles também abrem novas direções para o projeto de catalisadores, especialmente para reações eletroquímicas e “na água”.
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