Las partículas cargadas en soluciones acuosas siempre están rodeadas por una capa de moléculas de agua. Sin embargo, Aún se desconoce mucho sobre la naturaleza de esta llamada capa de hidratación. Usando espectroscopia de terahercios, Los químicos de Bochum han obtenido nuevos conocimientos sobre cómo un ión afecta las moléculas de agua en su entorno. Prof. Dra. Martina Havenith, El Dr. Gerhard Schwaab y el Dr. Federico Sebastiani de la Cátedra de Química Física II de Ruhr-Universität Bochum (RUB) brindan una descripción general de los resultados de los experimentos en la revista. Angewandte Chemie en julio de 2018.

"La capa de hidratación de los iones es extremadamente importante para comprender procesos fundamentales como el transporte de iones a través de membranas o baterías, "dice Martina Havenith, portavoz del Clúster de Excelencia Ruhr explora Solvation. "Sin embargo, preguntas aparentemente simples, como el tamaño de la capa de hidratación o la aparición de la formación de pares iónicos, todavía quedan sin respuesta ".

Desarrollo de nuevos métodos espectroscópicos

En la Ruhr-Universität Bochum, El equipo de Martina Havenith aborda esta cuestión con métodos espectroscópicos desarrollados internamente. Los investigadores envían pulsos cortos de radiación en el rango de terahercios, es decir, con una longitud de onda de poco menos de un milímetro, a través de la muestra. La mezcla absorbe la radiación en diferentes grados en diferentes rangos de frecuencia, que se hace visible en forma de espectro. El espectro, es decir, el patrón de absorción, revela algo sobre el movimiento de ciertos enlaces en las moléculas investigadas, por ejemplo sobre enlaces de hidrógeno en una red de agua.

El grupo de Bochum desarrolló técnicas especiales utilizando radiación de terahercios de baja frecuencia para determinar el tamaño de la capa de hidratación. es decir, el número de moléculas de agua que se ven afectadas por un ion. Descomponen matemáticamente el patrón de absorción registrado en sus componentes y, por lo tanto, pueden identificar las partes del espectro que revelan algo sobre iones individuales o pares de iones.

Resolución de moléculas de agua en la capa de hidratación.

El resultado:se determinaron conchas de hidratación con un tamaño entre dos y 21 moléculas de agua para más de 37 sales investigadas. El número depende, por ejemplo, del tamaño del ion y su valencia. Los iones de carga única suelen afectar a menos moléculas de agua que los iones de carga múltiple. "Sin embargo, esto no es del todo sistemático, pero también depende del catión o anión presente, "explica Martina Havenith.

Los investigadores utilizan su método para determinar el llamado número efectivo de moléculas de agua, que es el número mínimo de moléculas de agua que se ven afectadas por un ion, es decir, que no puede moverse tan libremente como el agua circundante no afectada. Debido a la carga positiva o negativa de un ion, las moléculas de agua con sus átomos de hidrógeno parcialmente cargados positivamente o su átomo de oxígeno parcialmente cargado negativamente se alinean con el ion. "El efecto del ión sobre las moléculas de agua disminuye gradualmente con la distancia, "Havenith explica." Por lo tanto, no siempre hay un límite claro entre las moléculas de agua afectadas y no afectadas ". Por lo tanto, el equipo especifica un número mínimo para el tamaño de la capa de hidratación.

Pares de iones estudiados

Sin embargo, el grupo de Bochum se ocupó no solo de iones individuales, pero también con pares de cationes y aniones. Las moléculas de agua afectan la formación del par de iones. Pueden formar una capa de hidratación conjunta alrededor de los dos socios o capas separadas alrededor de catión y anión. El equipo puede estimar en cuántas moléculas de agua se componen estas conchas. "Para saber cuántas moléculas de agua rodean un cloruro de hierro, no es suficiente saber cuántas moléculas de agua se ven afectadas por un solo ion cloruro y cuántas por un solo ion hierro, "explica Havenith. Este no es un simple proceso aditivo.

"En general, Nuestros resultados muestran claramente que los efectos cooperativos en lugar de las propiedades de los iones individuales son decisivos, ", resume el investigador. Por lo tanto, no es suficiente conocer la propiedad de un solo ión para predecir cómo afectará una sal a las moléculas de agua en su entorno. En cambio, varios parámetros, tales como la densidad de carga o la combinación del catión-anión determinarán si se forma un par de iones.