O hidrogénio é amplamente visto como uma fonte de energia chave para o futuro, o que torna 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 em situações cotidianas, pouco se sabe 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 fundamentais. Os objetos caem porque, ao fazê-lo, perdem energia. Ao mesmo tempo, a ordem e a desordem influenciam fortemente o desenrolar dos processos físicos. Com o tempo, os sistemas tendem a tornar-se mais caóticos, o que a maioria das pessoas reconhece na vida quotidiana. Esta tendência à desordem também se aplica à escala molecular e é descrita por uma propriedade conhecida como entropia.
Energia e entropia juntas determinam se um processo químico ocorrerá. Quando a energia diminui ou quando a desordem aumenta, a reação ocorre naturalmente. Em condições normais, como um copo de água, as moléculas de água raramente se quebram sozinhas porque o processo é desencorajado tanto pela energia quanto pela entropia. Contudo, quando um forte campo eléctrico é introduzido, essa situação muda dramaticamente.
Um processo surpreendente sob fortes campos elétricos
Pesquisadores do Instituto Max Planck e da Universidade de Cambridge descobriram agora um mecanismo inesperado que controla a automobilidade da água sob intensos campos elétricos. Sua pesquisa, publicada Jornal da Sociedade Química AmericanaIsto desafia a suposição de longa data de que a resposta é controlada principalmente apenas pela energia.
“A automobilidade da água tem sido estudada extensivamente em condições de grande volume, onde é considerada energeticamente íngreme e entropicamente restrita”, disse o líder do grupo, Jar Littmann, do Instituto Max Planck. “Mas sob o forte campo elétrico típico de um ambiente eletroquímico, a reação se comporta de maneira muito diferente”.
Como os campos elétricos transformam a ordem em forças motrizes
Usando simulações avançadas de dinâmica molecular, Littman e o coautor Angelos Michaelides descobriram que campos elétricos fortes aumentam muito a dissociação da água de uma forma inesperada. Em vez de reduzir o consumo de energia da reação, o campo elétrico favorece o processo aumentando a entropia. O campo primeiro força as moléculas de água a uma ordem superior. Quando os íons começam a se formar, essa estrutura se rompe, aumentando a desordem e impulsionando a reação.
“Isso é exatamente o oposto do que acontece no caso zero”, explica Litman. “Em vez de impedir o feedback da entropia, agora o promove.”
pH e implicações para projeto eletroquímico
Os pesquisadores também descobriram que fortes campos elétricos podem alterar significativamente a acidez da água. Nessas condições, o pH pode variar de valores neutros (7) a valores altamente ácidos (tão baixos quanto 3). Esta mudança tem consequências importantes na forma como os sistemas eletroquímicos funcionam e como devem ser projetados.
“Estes resultados apontam para um novo paradigma”, disse Michaelides. “Para compreender e melhorar os dispositivos de separação de 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 precisam repensar como as reações químicas na água são modeladas quando campos elétricos estão envolvidos. Eles também abrem novas direções para o projeto de catalisadores, especialmente para reações eletroquímicas e “na água”.
