A formação de peróxido de hidrogênio na interface ar-água em microgotículas não é espontânea como se acreditava anteriormente, mas é impulsionada pelo ozônio. Crédito:KAUST
Uma investigação abrangente por pesquisadores da KAUST estabelece o registro direto sobre a formação de peróxido de hidrogênio em gotículas de água do tamanho de micrômetros, ou microgotas, e mostra que o ozônio é a chave para essa transformação1,2.
A interface ar-água é um local crucial para vários processos naturais, domésticos e industriais, como troca oceano-atmosfera, formação de nuvens e orvalho, bebidas aeradas e biorreatores. No entanto, sondar transformações químicas na interface ar-água é um desafio devido à falta de técnicas específicas de superfície ou modelos computacionais.
Pesquisas recentes revelaram que a água se transforma espontaneamente em peróxido de hidrogênio 30-110 micromolar (H
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2 ) em microgotículas, obtidas por condensação de vapor ou pulverização de água com gás nitrogênio pressurizado. A compreensão do livro didático sobre a água é, portanto, desafiada por como as condições amenas de temperatura e pressão, juntamente com a ausência de catalisadores, co-solventes e energia aplicada significativa, podem quebrar ligações covalentes O-H. Foi hipotetizado que este fenômeno incomum resultou de um campo elétrico ultra-alto na interface ar-água que auxilia a formação do radical OH, mas nenhuma evidência direta foi relatada.
Para aprofundar esse fenômeno, Himanshu Mishra montou uma equipe envolvendo dinamicistas de fluidos computacionais e engenheiros Hong Im e Sigurdur Thoroddsen. “Sprays são sistemas complexos que podem envolver ondas de choque e evaporação rápida; então, começamos com microgotas de água condensada”, diz Mishra.
Em colaboração com Ph.D. estudantes Adair Gallo Jr e Nayara Musskopf, o cientista pesquisador Peng Zhang utilizou um ensaio ultrassensível baseado em fluorescência que pode detectar H
2 aquoso O
2 com um limite de detecção quase 40 vezes menor do que o ensaio original. Eles não encontraram H
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2 em microgotas condensadas de água quente, mas até um micromolar H
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2 em microgotículas de umidificadores ultrassônicos comerciais. Com esse insight importante, a equipe investigou sprays.
Simulações de computador pelo pós-doutorando Xinlei Liu e imagens de alta velocidade pelo Ph.D. O estudante Ziqiang Yang demonstrou que ondas de choque em forma de tigela se formavam em sprays, mas essas condições eram inadequadas para transformar quimicamente a água em H
2 O
2 .
"Permaneceram as perguntas:onde foi parar o resto do H
2 O
2 vem das microgotas condensadas e pulverizadas investigadas na Califórnia, e por que não as vimos no KAUST?", diz o autor principal Gallo Jr. H
2 O
2 formação. "Eu tive um momento Eureka ao ler artigos de 40 anos atrás. Eles listaram o ozônio ambiente como um interferente no H
2 aquoso O
2 medições", explica Mishra.
Para controlar os níveis de ozônio no ambiente, os pesquisadores usaram um gerador de ozônio e misturaram o gás resultante com gás nitrogênio antes de introduzi-lo em um porta-luvas. Eles observaram que o aumento da concentração de ozônio aumentava o H
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2 formação. "Ficamos muito felizes porque essa era a resposta", diz o coautor principal Musskopf.
Embora as concentrações de ozônio ambiente permaneçam abaixo de duas partes por bilhão dentro de nosso porta-luvas, elas podem exceder 80 partes por bilhão na Califórnia, de acordo com registros coletados pela Agência de Proteção Ambiental. Embora o ozônio se dissolva minimamente na água, a área de superfície aprimorada das microgotículas permite que mais ozônio seja dissolvido e reaja rapidamente para formar H
2 O
2 . “Tinha que haver algo relacionado à geografia do lugar, uma diferença ambiental entre nossa localização na Arábia Saudita e na Califórnia, diz Gallo Jr.
Juntos, esses dados refutam que a água se transforma espontaneamente em H
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2 na interface ar-água. "Defendemos a química física dos livros didáticos e o que sabemos sobre a água", conclui Mishra.
