O hidrogénio é amplamente visto como uma fonte de energia chave para o futuro, tornando crucial compreender como a água é decomposta 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 em condições cotidianas seja bem compreendida, pouco se sabe sobre o comportamento da água em dispositivos eletroquímicos na presença de fortes campos elétricos.
Na natureza, sistemas grandes e pequenos seguem alguns princípios básicos. Os objetos caem porque isso reduz sua energia. Ao mesmo tempo, a ordem e a desordem influenciam fortemente o desenrolar dos processos físicos. Os sistemas tendem a ficar mais desordenados com o tempo, algo que a maioria das pessoas reconhece em suas vidas diárias. Essa tendência à desordem também se aplica à escala molecular e é descrita por uma propriedade chamada entropia.
Energia e entropia juntas determinam se um processo químico ocorre por conta própria. As reações ocorrem naturalmente quando a energia diminui ou a desordem aumenta. Em condições normais, como um copo de água, as moléculas de água raramente se decompõem sozinhas porque o processo é dificultado pela energia e pela entropia. No entanto, quando um forte campo eléctrico é introduzido, a situação muda dramaticamente.
Mecanismo incrível sob forte campo elétrico
Pesquisadores do Instituto Max Planck e da Universidade de Cambridge descobriram agora um mecanismo inesperado para controlar a autodissociação da água sob fortes campos elétricos. Sua pesquisa foi publicada em Jornal da Sociedade Química Americanadesafiando a suposição de longa data de que a reação é controlada principalmente apenas pela energia.
“A auto-dissociação da água foi estudada extensivamente sob um grande número de condições e foi considerada prejudicada energética e entropicamente”, disse o líder do grupo, Yair Litman, do Instituto Max Planck. “Mas sob fortes campos eléctricos típicos de ambientes electroquímicos, a reacção comporta-se de forma muito diferente.”
Como os campos elétricos transformam a ordem em força motriz
Usando simulações avançadas de dinâmica molecular, Litman e o coautor Angelos Michalides descobriram que campos elétricos fortes aumentaram muito a dissociação da água de maneiras inesperadas. Em vez de reduzir o custo energético da reação, o campo elétrico torna o processo favorável aumentando a entropia. O campo primeiro força as moléculas de água a um arranjo altamente ordenado. Quando os íons começam a se formar, a estrutura se rompe, aumentando a desordem e impulsionando a reação.
“É exatamente o oposto do que acontece no campo zero”, explicou Litman. “A entropia agora não impede mais as reações, mas as facilita.”
Impacto no pH e no projeto eletroquímico
Os pesquisadores também descobriram que fortes campos elétricos podem alterar significativamente a acidez da água. Nessas condições, o pH diminui de valores neutros (7) para valores altamente ácidos (tão baixos quanto 3). Esta transformação tem implicações importantes na forma como os sistemas eletroquímicos operam e como são projetados.
“Estes resultados apontam para um novo paradigma”, disse Michalides. “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 remodelam a paisagem molecular da água.”
As descobertas sugerem que os cientistas podem precisar repensar a forma como modelam as reações químicas na água quando campos elétricos estão envolvidos. Eles também abrem novas direções no projeto de catalisadores, especialmente para reações eletroquímicas e “na água”.
