O hidrogénio é amplamente visto como uma fonte de energia chave no futuro, o que torna muito importante compreender como a água é dividida durante a eletrólise. Cientistas do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros e do Departamento de Química Yusuf Hamid da Universidade de Cambridge examinaram mais de perto um processo intimamente relacionado, conhecido como autodissociação da água. Embora a química básica da divisão da água seja bem compreendida nas condições cotidianas, sabe-se muito menos sobre como a água se comporta dentro de dispositivos eletroquímicos onde estão presentes fortes campos elétricos.
Em toda a natureza, sistemas grandes e pequenos seguem alguns princípios básicos. Os objetos caem porque isso diminui sua energia. Ao mesmo tempo, a ordem e a desordem influenciam fortemente o desenrolar dos processos físicos. Com o tempo, os sistemas tornam-se cada vez mais desordenados, algo que a maioria das pessoas nota no seu dia a dia. Esta tendência à desordem também se aplica à escala molecular e é descrita por uma propriedade conhecida como entropia.
Juntas, a energia e a entropia determinam se um processo químico ocorre por si só. As reações ocorrem naturalmente quando a energia diminui ou quando a frustração aumenta. Em condições normais, como um copo de água, as moléculas de água raramente se desintegram por si mesmas porque tanto a energia como a entropia dificultam este processo. No entanto, quando são introduzidos campos eléctricos fortes, a situação muda dramaticamente.
Um mecanismo incrível sob a influência de fortes campos elétricos
Pesquisadores do Instituto Max Planck e da Universidade de Cambridge descobriram um mecanismo inesperado que controla a autodissociação da água sob intensos campos elétricos. Seu estudo, publicado em Jornal da Sociedade Química Americanadesafia a visão de longa data de que esta reação é controlada principalmente apenas pela energia.
“A autodissociação da água tem sido extensivamente estudada em condições de grande volume, onde é considerada energeticamente elevada e entropicamente sobrecarregada”, diz Yair Litman, líder do grupo do Instituto Max Planck. “Mas sob fortes campos elétricos típicos de ambientes eletroquímicos, a reação se comporta de maneira muito diferente.”
Como os campos elétricos transformam a ordem em força motriz
Usando simulações avançadas de dinâmica molecular, Litman e a coautora Angelas Michaelides descobriram que campos elétricos fortes aumentam significativamente a dissociação da água de uma forma inesperada. Em vez de reduzir o custo energético da reação, o campo elétrico favorece o processo aumentando a entropia. O campo primeiro força as moléculas de água a um arranjo altamente ordenado. À medida que os íons começam a se formar, essa estrutura se desfaz, aumentando a desordem e promovendo a reação.
“É exatamente o oposto do que acontece com um campo zero”, explica Litman. “Em vez de a entropia resistir à reação, ela agora a favorece.”
Implicações para pH e projeto eletroquímico
Os pesquisadores também descobriram que fortes campos elétricos podem alterar significativamente a acidez da água. Nessas condições, o pH pode cair de valores neutros (7) para valores muito ácidos (até 3). Esta mudança tem implicações importantes sobre como os sistemas eletroquímicos funcionam e como devem ser projetados.
“Estes resultados apontam para um novo paradigma”, diz Michaelides. “Para compreender e melhorar os dispositivos de divisão da água, precisamos de considerar não apenas a energia, mas também a entropia – e como os campos eléctricos mudam a paisagem molecular da água.”
As descobertas sugerem que os cientistas podem precisar repensar como as reações químicas na água são modeladas com campos elétricos. Eles também abrem novas direções para o projeto de catalisadores, especialmente para reações eletroquímicas e “na água”.
