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Cientistas conseguem isolar e caracterizar pela primeira vez as duas formas da água


Apesar de poucos saberem disso, as moléculas de água (H2O) - independentemente dos isótopos constituintes -  existem sob a forma de dois isômeros distintos, os quais possuem propriedades levemente diferentes um do outro a nível quântico. Agora, em um estudo recentemente publicado na Nature Communications, os cientistas conseguiram finalmente separar esses dois isômeros, e mostraram que ambos possuem uma reatividade química diferenciada.

A diferença entre as duas formas de água reside em uma propriedade quântica chamada de 'spin' (1). Partículas como prótons e elétrons possuem um spin com valor +1/2 ou -1/2. Quando pareadas, no núcleo ou nos orbitais eletrônicos, essas partículas se cancelam em termos de spin total, porque cada uma delas terá o valor de spin oposto ao da outra. Porém, se um elétron estiver sozinho no orbital, seu valor de spin será o resultante. No caso dos núcleos, isso irá ocorrer se o número de prótons for ímpar, porque sempre irá sobrar um próton sem seu par oposto de spin. Enquanto o oxigênio não possui uma resultante de spin no seu núcleo, por ter um número atômico par (8 prótons), os dois hidrogênios ligados a ele terão uma resultante por terem apenas 1 próton no núcleo (ímpar).

(1) Para mais informações sobre o significado quântico de spin, acesse: Pesquisadores brasileiros alcançam uma magnetização da matéria via luz de forma quase instantânea 

Nesse sentido, se o núcleo de cada um dos hidrogênios tiver o mesmo valor de spin (+1/2 ou -1/2), a molécula de água é chamada de 'orto-água'. Se os hidrogênios apresentarem valores opostos de spin, eles são chamados de 'para-água'. Geralmente, mesmo sob interferências eletromagnéticas ou de colisões, esses estados de spin nas moléculas individuais são conservados, apesar da inter-conversão ocorrer. De qualquer forma, como a rotação das moléculas de água é afetada pelos valores de spin carregados pelos hidrogênios (simetria rotacional), forças intermoleculares diferenciadas irão atuar durante as reações químicas. Como esses isômeros são muito similares, por muito tempo os pesquisadores não conseguiram uma forma de separar essas moléculas, e como energia rotacional é provavelmente transferida em qualquer colisão, fica difícil apurar diferenças mínimas de reatividade ligadas à simetria rotacional de spin.

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Para separar os dois tipos de moléculas, os pesquisadores aproveitaram recentes avanços na área de manipulação de moléculas polares via campos eletrostáticos e na área de feixes moleculares supersônicos. No estudo publicado na Nature, os pesquisadores utilizaram um feixe molecular pulsado de moléculas de água com o suporte de gás argônio emanado de um reservatório a temperatura ambiente na direção de um defletor eletrostático, este o qual separou espacialmente os isômeros para e orto devido aos seus momentos de dipolo efetivos diferenciados. Depois da deflexão e separação, os feixes contendo água orto ou para foram encaminhados para uma estrutura contendo duas camadas de cristais de Coulomb (Ca+) separadas por uma camada de íons diazenylium super-resfriados.



Os pesquisadores utilizaram os íons diazenylium (N2H+) - um cátion inorgânico nitrogenado comum no meio interestelar e importante para traçar moléculas de nitrogênio em nuvens pré-estelares - super-resfriados para analizarem a reatividade diferenciada com os isômeros da água. Os produtos e cinética das colisões reativas entre N2H+ e as moléculas de água chegando com os feixes separados foram determinadas usando um espectrômetro de massa tempo-de-voo (TOF-MS). Eles descobriram que esses íons reagiam 23% mais rapidamente com a orto-água. Esse achado foi reforçado por cálculos e simulações teóricas, os quais sugerem que a diferença de reatividade observada é devido ao menor grau de média rotacional da interação de longo alcance do íon-dipolo.



Publicação do estudo: Nature

Cientistas conseguem isolar e caracterizar pela primeira vez as duas formas da água Cientistas conseguem isolar e caracterizar pela primeira vez as duas formas da água Reviewed by Saber Atualizado on julho 18, 2018 Rating: 5

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