Uma estrutura indescritível envolvendo duas moléculas de água, que havia sido prevista, mas nunca observada, foi isolada pelos químicos da RIKEN. Esta descoberta pode ter implicações para uma ampla gama de campos, desde a astroquímica até a corrosão de metais. O artigo foi publicado no The Journal of Physical Chemistry Letters .



Uma partícula energética ou fóton pode eliminar um elétron de uma molécula de água, criando um íon positivo (cátion; H₂ O ⁺ ) e um elétron. Esta ionização da água pode desencadear uma cascata de outras reações com moléculas próximas.

A ionização da água desempenha papéis importantes nos processos biológicos e na química da radiação, bem como promove a corrosão nas interfaces entre a água e os metais. Como ocorre a ionização da água é, portanto, uma questão crítica para os físico-químicos.

Os cálculos prevêem que, após a ionização de uma molécula de água, dois isômeros de um íon carregado positivamente de um dímero de água – duas moléculas de água frouxamente conectadas por uma ligação fraca – se formarão rapidamente. Um isômero (H₃ O ⁺ ·OH) foi observado e é formado quando um próton é transferido de uma molécula de água para outra.

O outro isômero tem uma estrutura de meia ligação (ou hemiligação) (H₂ O·OH₂ ) ⁺ , mas nunca foi isolado ou confirmado por medições espectroscópicas. Os cálculos sugerem que ele tem uma energia mais alta que o dímero de transferência de prótons.

Agora, Susumu Kuma do Laboratório de Física Atômica, Molecular e Óptica RIKEN e seus colegas isolaram ambos os íons dímeros de água, prendendo-os em minúsculas gotículas de hélio frio. Eles também usaram espectroscopia infravermelha para determinar suas estruturas.

Kuma e colegas de trabalho usaram um ambiente ultrafrio para produzir os isômeros. As moléculas de água nas gotículas de hélio resfriaram rapidamente à medida que os átomos de hélio evaporaram da superfície da gotícula. Este processo formou o isômero hemiligado metaestável devido à sua estabilização muito rápida dentro das gotículas frias.

Kuma e sua equipe investigaram então a coexistência dos dois isômeros usando métodos computacionais e espectroscópicos. As assinaturas espectroscópicas dos íons moleculares eram quase idênticas às dos íons nus, sem o hélio os rodeando. “Esta descoberta indica que podemos comparar diretamente as medições dos íons nus com os resultados dos cálculos da química quântica”, diz Kuma. "Isso facilita muito a análise estrutural dos dímeros."

A descoberta ajudará a gerar mais estudos neste campo, prevê Kuma. “A descoberta dos cátions hemiligados da água promoverá mais estudos de eventos primários que são importantes para a compreensão da química da radiação da água”, diz ele.

A equipe de Kuma pretende procurar outras estruturas que ainda não foram observadas. “Planejamos aumentar o tamanho dos cátions complexos de água nas gotículas de hélio”, diz Kuma. "Esperamos encontrar estruturas químicas anteriormente não observadas, mas importantes, nos espectros."

Mais informações: Arisa Iguchi et al, Isolamento e caracterização espectroscópica infravermelha de cátions dímeros de água hemiligados em nanogotículas de hélio superfluido, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02150
Fornecido por RIKEN