A questão da precisão com que os prótons se movem através da água em um campo elétrico fascina os cientistas há séculos. Agora, mais de 200 anos após a última visão sobre o fenômeno, os cientistas têm alguma clareza.
Em 1806, Theodor Grottos apresentou uma hipótese conhecida como Mecanismo de grutas Para “salto de prótons”, sobre como a carga flui através de uma solução de água.
Considerando que a hipótese das Grutas era um pensamento muito progressista para a época – vindo antes prótonsou mesmo a estrutura real da água, era conhecida – os pesquisadores modernos sabem há muito tempo que ela não forneceu uma compreensão completa do que aconteceu no nível molecular.
As últimas descobertas sobre este tópico podem ter desvendado o mistério, resolvendo as estruturas eletrônicas de prótons úmidos que foram indescritíveis por tanto tempo.
Os resultados sugerem que os prótons se movem pela água em “trens” de três moléculas de água, com “trilhos” construídos na frente do trem à medida que avança e puxando para cima quando ele passa.
Este loop pode continuar indefinidamente para mover prótons através da água. Embora a ideia já tenha sido proposta antes, o novo estudo identifica uma estrutura molecular diferente que melhor se adapta à solução proposta por Grotthuss, de acordo com os autores do estudo.
“As discussões sobre o mecanismo das Grutas e a natureza da solubilidade do próton na água se intensificaram, pois esse é um dos desafios mais fundamentais da química”, O químico Ehud Pines disse: da Universidade Ben-Gurion do Negev em Israel.
O novo estudo é atraente porque combina uma abordagem teórica com experimentação física Possibilitado pelos recentes avanços tecnológicos. Os pesquisadores usaram Espectroscopia de absorção de raios X (XAS) para observar como as cargas de prótons afetam os elétrons em átomos de oxigênio únicos na água.
Como esperado, o efeito foi maior em três moléculas de água, embora em graus variados em cada molécula individual dentro do bloco triplo. Os pesquisadores encontraram grupos de três moléculas que formam cadeias com o próton.
Os pesquisadores também combinaram simulações e cálculos químicos em nível quântico para determinar as interações entre prótons e moléculas de água vizinhas à medida que os prótons se moviam pelo líquido.
“Entender esse mecanismo é pura ciência, ampliando os limites do nosso conhecimento e mudando um de nossos conceitos básicos para um dos mais importantes mecanismos de transporte de massa e transporte na natureza”, Baines diz.
Esta descoberta desempenha um grande papel Outros processos químicosincluindo fotossíntese, respiração celular e transferência de energia em células de combustível de hidrogênio.
Não apenas a solução notável, mas também como os pesquisadores chegaram lá – testando e validando previsões teóricas contra resultados experimentais e vice-versa, em um processo longo e sinuoso que levou quase duas décadas do início ao fim.
“Todo mundo pensa sobre esse problema há mais de 200 anos, então foi desafiador o suficiente para eu decidir abordá-lo”. Baines diz. “Dezessete anos depois, sou grato por provavelmente ter encontrado e demonstrado a solução.”
A pesquisa foi publicada em Edição Internacional Angewandte Chemie.
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