Un hallazgo sobre el agua obligará a reescribir los libros de texto

Será necesario cambiar los libros de texto tras un nuevo hallazgo que revela que las moléculas de agua en la superficie del agua salada están organizadas de manera diferente a lo teorizado.

Muchas reacciones importantes relacionadas con el clima y los procesos ambientales tienen lugar donde las moléculas de agua interactúan con el aire. Por ejemplo, la evaporación del agua del océano juega un papel importante en la química atmosférica y la ciencia climática. Comprender estas reacciones es crucial para los esfuerzos por mitigar el efecto humano en nuestro planeta.

La distribución de iones en la interfaz del aire y el agua puede afectar los procesos atmosféricos. Sin embargo, hasta ahora se ha debatido intensamente una comprensión precisa de las reacciones microscópicas en estas importantes interfaces.

En un artículo publicado ahora en la revista Nature Chemistry, investigadores de la Universidad de Cambridge y el Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros en Alemania muestran que los iones y las moléculas de agua en la superficie de la mayoría de las soluciones de agua salada, conocidas como soluciones de electrolitos, están organizadas de una manera completamente diferente a la que tradicionalmente se entiende. Esto podría conducir a mejores modelos de química atmosférica y otras aplicaciones.

Los investigadores se propusieron estudiar cómo las moléculas de agua se ven afectadas por la distribución de iones en el punto exacto donde se encuentran el aire y el agua. Tradicionalmente, esto se ha hecho con una técnica llamada generación vibratoria de frecuencia suma (VSFG).

Con esta técnica de radiación láser es posible medir las vibraciones moleculares directamente en estas interfaces clave. Sin embargo, aunque se puede medir la intensidad de las señales, la técnica no mide si las señales son positivas o negativas, lo que ha dificultado la interpretación de los hallazgos en el pasado. Además, el uso exclusivo de datos experimentales puede dar resultados ambiguos.

El equipo superó estos desafíos utilizando una forma más sofisticada de VSFG, llamada VSFG con detección heterodina (HD), para estudiar diferentes soluciones de electrolitos. Luego desarrollaron modelos informáticos avanzados para simular las interfaces en diferentes escenarios.

Los resultados combinados mostraron que tanto los iones cargados positivamente, llamados cationes, como los iones cargados negativamente, llamados aniones, se agotan en la interfaz agua/aire. Los cationes y aniones de electrolitos simples orientan las moléculas de agua tanto hacia arriba como hacia abajo. Esto es una inversión de los modelos de los libros de texto, que enseñan que los iones forman una doble capa eléctrica y orientan las moléculas de agua en una sola dirección.

El coautor principal, el Dr. Yair Litman, del Departamento de Química de Yusuf Hamied, dijo: «Nuestro trabajo demuestra que la superficie de soluciones de electrolitos simples tiene una distribución de iones diferente de lo que se pensaba anteriormente y que el subsuelo enriquecido en iones determina cómo se organiza la interfaz: en la parte superior hay algunas capas de agua pura, luego una capa rica en iones y finalmente la solución salina a granel».