As partículas carregadas em soluções aquosas estão sempre rodeadas por uma camada de moléculas de água. Contudo, muito ainda se desconhece sobre a natureza dessa chamada concha de hidratação. Usando espectroscopia terahertz, Químicos de Bochum obtiveram novos insights sobre como um íon afeta as moléculas de água em seu ambiente. Prof Dra. Martina Havenith, O Dr. Gerhard Schwaab e o 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 de 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 Ruhr Explores Solvation. "Contudo, perguntas aparentemente simples, como o tamanho da camada de hidratação ou a ocorrência de formação de par de íons, 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 abaixo de um milímetro, através da amostra. A mistura absorve a radiação em diferentes graus em diferentes faixas de frequência, que se torna visível na forma de um espectro. O espectro, ou seja, 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 da camada de hidratação, isto é, o número de moléculas de água que são afetadas por um íon. Eles quebram matematicamente o padrão de absorção registrado em seus componentes e podem, assim, identificar as partes do espectro que revelam algo sobre íons individuais ou pares de íons.

Resolvendo moléculas de água na camada de hidratação

O resultado:conchas 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. Íons com carga única geralmente afetam menos moléculas de água do que íons com carga múltipla. "Contudo, 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 afetadas 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 seus átomos de oxigênio parcialmente carregados negativamente se alinham com o íon. "O efeito do íon nas moléculas de água diminui gradualmente com a distância, "Havenith explica." Portanto, 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 da concha de hidratação.

Pares de íons estudados

Contudo, o grupo 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 uma concha de hidratação conjunta ao redor dos dois parceiros ou conchas separadas ao redor do cátion e do ânion. A equipe é capaz de estimar em quantas moléculas de água essas conchas consistem. "Para saber quantas moléculas de água circundam 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 ferro, "explica Havenith. Este não é um processo aditivo simples.

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