Febrero de 2008

Completamente Solo, el Amoníaco y el Cloruro de Hidrógeno Usan Negatividad Para Unirse

Electrones ambientales estimulan reacciones ácido-base

Un electrón adicional ayuda a que el NH3 suba a un HCl (parte superior central) y extraiga el hidrógeno de su cloruro. Esto crea un cloruro de amonio adornado con electrones, una sal iónica (abajo a la derecha). El electrón extra puede encontrar su camino, temporalmente, en la molécula de amonio (abajo a la izquierda), formando un radical de Rydberg. Crédito: Maciej Haranczyk. Vista ampliada

Electrones, bits de energía negativa que te impactan cuando tocas la manija de una puerta, estimulan la reacción química entre un ácido y una base, según los nuevos resultados de la revista Science. Los hallazgos pueden ayudar a los investigadores algún día a controlar con precisión la química en sistemas que van desde la biología hasta la tecnología energética.

El equipo de químicos experimentales y teóricos de tres instituciones de investigación utilizó un ácido y una base simples, cloruro de hidrógeno y amoníaco, para investigar cómo reaccionan los dos para formar el cloruro de amonio del producto sin ayuda de su entorno. El resultado reveló que el suministro o la eliminación de un electrón extra, no uno que ya reside en las moléculas, puede hacer que la reacción pase de ácido y base a molécula neutra o viceversa.

«El sueño de los químicos es controlar las reacciones químicas», dice el coautor Greg Schenter del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico. Agrega el coautor Maciej Gutowski, ex miembro de PNNL y ahora de la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo, Reino Unido, «Queremos que la reacción ocurra cuando queremos que suceda, y que siga una determinada ruta química.»

«Es posible que podamos usar esto para sacar el hidrógeno del estado sólido, como en los materiales de almacenamiento de hidrógeno», dice Schenter. Si es así, eso podría conducir a automóviles económicos, seguros y prácticos alimentados con hidrógeno. El resultado fundamental también podría ayudar a iluminar las reacciones biológicas, como cuando la radiación daña el ADN dentro de las células, dice el coautor Kit Bowen de la Universidad Johns Hopkins.

» Su valor en mi mente es que esta reacción es un prototipo simple. Hay algunas reacciones muy complicadas que ocurren de esta manera», dice Bowen. «También muestra que los efectos ambientales son muy importantes en la reactividad.»

La reacción es común en la vida cotidiana. Por ejemplo, muchas personas saben que no deben mezclar limpiacristales y limpiacristales: a los compuestos de cada uno les gusta reaccionar, a veces emiten vapores peligrosos y dejan cloruro de amonio a su paso. Pero lo que mucha gente no sabe es que si tomas solo una molécula de cada uno de los problemáticos, amoníaco y cloruro de hidrógeno, los dos simplemente no pueden actuar juntos.

En el agua, la reacción entre amoníaco (NH3) y cloruro de hidrógeno (HCl) es un ejemplo de libro de texto de química ácido-base. Por su naturaleza química, el nitrógeno en el amoníaco prefiere estar unido a cuatro hidrógenos en lugar de los tres que tiene, por lo que roba el hidrógeno del cloruro de hidrógeno.

El robo deja cloruro solo y negativo. Pero la molécula de nitrógeno (ahora llamada amonio) ha ganado una carga positiva del hidrógeno robado, y eso atrae el cloruro. La atracción no es tan fuerte como el enlace covalente entre el nitrógeno y su base de abanico, pero el amonio y el cloruro forman un enlace iónico, uno que se forma cuando los opuestos se atraen. Para un químico, esto parece NH4 + Cl -.

Pero eso es en una multitud, no tan en privado. Investigaciones anteriores han demostrado que cuando una molécula de amoníaco existe aislada con una molécula de cloruro de hidrógeno, no sucede nada. Todos los componentes clásicos necesarios están ahí: hidrógenos positivos (también llamados protones) y electrones negativos, pero aún así, no pasa nada. Los investigadores han sospechado durante mucho tiempo que los electrones adicionales que flotan en el entorno de alto volumen podrían de alguna manera ayudar a las moléculas de amoníaco y cloruro de hidrógeno a reaccionar. Si es así, un cloruro de amonio en la naturaleza realmente se vería como -.

«Hay electrones adicionales en todas partes», dice el químico computacional Schenter. «Cuando te frotas un globo en el cabello, tiras electrones de tu cabello y de la superficie del globo y obtienes electricidad estática. No puedes alejarte de ellos.»

Para probar la idea, los experimentadores, dirigidos por el químico físico Bowen, tuvieron que hacer la reacción al revés. Primero, crearon una molécula de cloruro de amonio adornada con un electrón extra, -. Usando un haz de luz, midieron la facilidad con que los diferentes colores de luz eliminaban ese electrón. La pérdida del electrón deja un filtro NH4+Cl -, que inmediatamente se reorganiza en un par acogedor, NH3 y HCl.

Con programas de computadora desarrollados para comprender la naturaleza de la unión y estructura química en los EE. El Laboratorio de Ciencias Moleculares Ambientales del Departamento de Energía en el campus de PNNL, el equipo de teoría y modelado tomó esos datos y los usó para medir cuán cerca estaba el hidrógeno del cloruro al nitrógeno del amoníaco cuando el electrón adicional estaba alrededor. La imagen resultante mostró cómo la pérdida del electrón excedente puede causar que el amoníaco y el cloruro de hidrógeno se transformen en cloruro de amonio.

«Es como un interruptor,» dice Schenter. «En presencia de electrones, se comporta de una manera. Sin electrones, se comporta de otra manera.»

Los investigadores también resolvieron otro acertijo. Los químicos se han preguntado durante mucho tiempo sobre la interacción entre ese par acogedor, una molécula de amoníaco y una molécula de cloruro de hidrógeno. El enlace podría ser de naturaleza iónica o más parecido a un enlace de hidrógeno, más débil que los enlaces iónicos y covalentes, pero con características de cada uno. Comparando los datos en ausencia y presencia de electrones, el equipo teórico determinó los tipos de arreglos en los que podría estar el nitrógeno, los hidrógenos y el cloruro. A partir de estos, concluyeron que las moléculas formaban un enlace de hidrógeno.

Entender la reacción trae esperanza de que la química tendrá un futuro limpio. «Si puede controlar la reacción, puede operar de una manera segura y respetuosa con el medio ambiente», dice Gutowski.

Reconocimientos: Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia y las Oficinas de Ciencias Energéticas Básicas y Biológicas del Departamento de Energía & Investigación Ambiental, parte de la Oficina de Ciencia.

Cita: Eustis, SN, D Radisic, KH Bowen, RA Bachorz, M Haranczyk, GK Schenter, M Gutowski. 2008. «Química Ácido-Base Impulsada por Electrones: Transferencia de protones del Cloruro de Hidrógeno al amoníaco», Ciencia 319, 936.