Las partículas cargadas en soluciones acuosas siempre están rodeadas por una capa de moléculas de agua. Sin embargo, aún se desconoce mucho acerca de la naturaleza de esta llamada capa de hidratación. Mediante la espectroscopía de terahercios, los químicos de Bochum han obtenido nuevos conocimientos sobre cómo afecta un ionlas moléculas de agua en su entorno. El Dr. Martina Havenith, el Dr. Gerhard Schwaab y el Dr. Federico Sebastiani de la Cátedra de Química Física II de la Ruhr-Universität Bochum RUB proporcionan una visión general de los resultados de los experimentos en la revista Angewandte Chemie en julio de 2018.
"La capa de hidratación de los iones es extremadamente importante para comprender procesos fundamentales como el transporte de iones a través de membranas o baterías", dice Martina Havenith, portavoz del Cluster de Excelencia Ruhr Explora la Solvación. "Sin embargo, preguntas aparentemente simples, como eltamaño de la capa de hidratación o la aparición de la formación de pares de iones, aún permanecen sin respuesta "
Nuevos métodos espectroscópicos desarrollados
En la Ruhr-Universität Bochum, el equipo de Martina Havenith aborda esta pregunta con métodos espectroscópicos desarrollados internamente. Los investigadores envían pulsos cortos de radiación en el rango de terahercios, es decir, con una longitud de onda de menos de un milímetro, a través de la muestra. La mezcla.absorbe la radiación en diferentes grados en diferentes rangos de frecuencia, lo que se hace visible en forma de espectro.El espectro, es decir, el patrón de absorción, revela algo sobre el movimiento de ciertos enlaces en las moléculas investigadas, por ejemplo, sobre los enlaces de hidrógeno en unred de agua.
El grupo Bochum desarrolló técnicas especiales utilizando radiación de terahercios de baja frecuencia para determinar el tamaño de la capa de hidratación, es decir, el número de moléculas de agua que se ven afectadas por un ion. Descomponen matemáticamente el patrón de absorción registrado en sus componentes y, por lo tanto, puedenidentifica las partes en el espectro que revelan algo sobre iones individuales o pares de iones.
Resolviendo moléculas de agua en caparazón de hidratación
El resultado: se determinaron conchas de hidratación con un tamaño entre dos y 21 moléculas de agua para más de 37 sales investigadas. El número depende, por ejemplo, del tamaño del ion y su valencia. Los iones de carga única generalmente afectan menos moléculas de agua queiones de carga múltiple. "Sin embargo, esto no es completamente sistemático, sino que también depende del catión o anión presente", explica Martina Havenith.
Los investigadores utilizan su método para determinar la llamada cantidad efectiva de moléculas de agua, que es la cantidad mínima de moléculas de agua que se ve afectada por un ion, es decir, que no puede moverse tan libremente como el agua circundante no afectada. Debido a lo positivoo carga negativa de un ion, las moléculas de agua con sus átomos de hidrógeno parcialmente cargados positivamente o su átomo de oxígeno parcialmente cargado negativamente se alinean con el ion. "El efecto del ion sobre las moléculas de agua disminuye gradualmente con la distancia", explica Havenith.Por lo tanto, no siempre hay un límite claro entre las moléculas de agua afectadas y las no afectadas ". Por lo tanto, el equipo especifica un número mínimo para el tamaño de la capa de hidratación.
pares de iones estudiados
Sin embargo, el grupo Bochum se ocupó no solo de iones individuales, sino también de pares de cationes y aniones. Las moléculas de agua afectan la formación del par de iones. Pueden formar una capa de hidratación conjunta alrededor de los dos socios o capas separadas alrededorcatión y anión. El equipo puede estimar cuántas moléculas de agua consisten cada uno de estos depósitos ". Para saber cuántas moléculas de agua rodean un cloruro de hierro, no es suficiente saber cuántas moléculas de agua se ven afectadas por un solo cloruroiones y cuántos por un solo ion de hierro ", explica Havenith. Este no es un simple proceso aditivo.
resume, en general, nuestros resultados muestran claramente que los efectos cooperativos en lugar de las propiedades iónicas individuales son decisivos ", resume el investigador. Por lo tanto, no es suficiente conocer una sola propiedad iónica para predecir cómo una sal afectará las moléculas de aguaen su entorno. En cambio, varios parámetros, como la densidad de carga o la combinación del catión-anión determinarán si se forma un par de iones.
Resultados de simulación confirmados
Los datos experimentales son adecuados para simulaciones teóricas de otros grupos y pueden servir como parámetros de entrada para la ingeniería de procesos químicos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Ruhr-Universidad Bochum . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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