Un nuevo estudio proporciona una nueva visión de la química tradicional al revelar que la neutralización mutua de los iones aislados de hidronio (H₃O⁺) e hidróxido (OH⁻) es impulsada por la transferencia de electrones en lugar de la transferencia de protones que se espera en el agua líquida a granel.
Un nuevo estudio, dirigido por el profesor Daniel Strasser, del Instituto de Química de la Universidad Hebrea, en colaboración con el Dr. Richard Thomas, de la Universidad de Estocolmo, y con el profesor Henning Schmidt, director de la instalación DESIREE, reveló conocimientos críticos sobre una de las reacciones químicas más fundamentales: la neutralización mutua de los iones hidronio (H₃O⁺) e hidróxido (OH⁻).
Esta reacción, esencial para la química ácido-base, se entiende típicamente para producir dos moléculas de agua (H₂O). Sin embargo, la nueva evidencia experimental demuestra que los mecanismos de transferencia de electrones, en lugar de una vía de transferencia de protones, dominan esta reacción en el sistema aislado, lo que conduce a la formación eficiente de radicales hidroxilo (OH).
“Los mecanismos de transferencia de electrones que hemos descubierto sugieren varias vías para la formación espontánea de OH en condiciones de baja temperatura, sin un catalizador o una fuente de energía externa”, dijo el profesor Strasser de la Universidad Hebrea. “Nuestro trabajo ofrece nuevos conocimientos no solo sobre el mecanismo cuántico de la dinámica de transferencia de electrones en la química ácido-base, sino también sobre procesos más amplios como la química atmosférica, donde los radicales OH juegan un papel esencial”.
Un equipo conjunto de investigadores de la Universidad Hebrea de Jerusalem y la Universidad de Estocolmo registró los productos neutros de las reacciones de neutralización individuales en las instalaciones únicas de DESIREE en la Universidad de Estocolmo. El avance experimental fue posible gracias al análisis detallado de los patrones de productos coincidentes de una sola reacción a la vez, que incide en un detector sensible al tiempo y la posición.
Este estudio sigue a la investigación previa del equipo publicada en Science, donde observaron por primera vez los productos de transferencia de electrones y protones. En este último trabajo, pudieron registrar la distancia a la que un electrón salta de OH⁻ a H₃O⁺ y correlacionarlo con el resultado de la reacción. Se observó que la transferencia de electrones a una distancia corta de ~4Å daba lugar a productos OH + H₂O + H, mientras que la transferencia a una distancia mayor de ~9Å producía dos radicales OH y un hidrógeno molecular H₂.
Implicancias para futuras investigaciones
Este estudio allana el camino para futuras investigaciones sobre la dinámica de reacciones no adiabáticas en otros sistemas químicos fundamentales. Los hallazgos tienen profundas implicaciones para nuestra comprensión de la química atmosférica, donde los radicales OH juegan un papel clave en los procesos de oxidación, y para modelar reacciones químicas en entornos extremos como el espacio interestelar. Además, los nuevos conocimientos sobre la formación espontánea de H₂O₂ en las superficies de las microgotas de agua podrían afectar a los estudios de química atmosférica, ciencias medioambientales e incluso investigación biomédica.
El artículo de investigación titulado “Unravelling non-adiabatic pathways in the mutual neutralization of hydronium and hydroxide”, ya está disponible en Nature Chemistry.
Investigadores:
Alon Bogot1, Mathias Poline2, MingChao Ji2, Arnaud Dochain2, Stefan Rosén2, Henning Zettergren2, Henning T. Schmidt2, Richard D. Thomas2 y Daniel Strasser1.
Instituciones:
1) Instituto de Química, Universidad Hebrea de Jerusalem.
2) Departamento de Física, Universidad de Estocolmo.
Financiación:
Este trabajo se llevó a cabo en la Infraestructura Nacional Sueca, DESIREE (Contratos del Consejo Sueco de Investigación N° 2017-00621, 2021-00155 y 2023-00170). H.Z. y H.T.S. agradecen al Consejo Sueco de Investigación por las subvenciones a proyectos individuales (con los contratos N° 2020-03437 y 2022-02822). R.D.T, H.S. y H.Z. reconocen la subvención del proyecto “Sondeo de reacciones de transferencia de carga y masa a nivel atómico” (2018.0028) de la Fundación Knut y Alice Wallenberg. R.D.T, reconoce el apoyo de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea bajo el Premio No. FA8655-24-1-7004. Esta publicación se basa en el trabajo de COST Action CA18212 – Dinámica Molecular en la fase GAS (MD-GAS), apoyado por COST (Cooperación Europea en Ciencia y Tecnología). D.S. y A.B. agradecen el apoyo de la subvención ISF 674/21 y del centro Minerva para la creación de bonos por fragmentación.
