NOVOS INSIGHTS SOBRE O ÁCIDO CARBÔNICO NA ÁGUA

Embora acumule alguns títulos públicos, o ácido carbônico, a forma hidratada de dióxido de carbono, é crítico para a saúde da atmosfera tanto como a do corpo humano. No entanto, uma vez que existe apenas por uma fração de segundo antes de mudar para uma mistura de íons de hidrogênio e bicarbonato, o ácido carbônico permanece um enigma. Um novo estudo realizado por pesquisadores do Laboratório Berkeley, produziram novas informações valiosas acerca do ácido carbônico com importantes implicações para ambas as preocupações, geológicas e biológicas.

Embora exista ácido carbónico para apenas uma fracção de segundo antes de mudar para uma mistura de hidrogénio e iões de bicarbonato, que é crítico para a saúde tanto da atmosfera e o corpo humano. Crédito: Laboratório de Berkeley

O ácido carbônico ocorre por apenas uma fração de segundo antes de mudar para uma mistura de hidrogênio e íons de bicarbonato, que é crítico para a saúde tanto da atmosfera e o corpo humano. Crédito: Laboratório de Berkeley

Richard Saykally, um químico do Lab de Ciências Químicas na Divisão de Berkeley e professor de química na Universidade da Califórnia (UC) em Berkeley, liderou um estudo que produziu a

espectroscopia de absorção primeiro raio-X (XAS) e fez medições no ácido carbônico aquoso.

Estas medidas de XAS, que obtidos no laboratório de Berkeley Advanced Light Source (ALS), estiveram em forte concordância com previsões obtidas no supercomputador da Pesquisa Científica Computing Center Nacional de Energia (NERSC).

A combinação de resultados teóricos e experimentais fornece insights novos e detalhados sobre as propriedades de hidratação do ácido carbônico aquoso que devem beneficiar o desenvolvimento de tecnologias de seqüestro de carbono e mitigação, melhorar e aumentar a nossa compreensão de como o ácido carbônico regula o pH do sangue.

“Nossos resultados suportam um número médio de hidratação de 3,17 com dois prótons de cada ácido doando uma forte ligação de hidrogênio para solvatar a água, o oxigênio da carbonila aceita uma forte ligação de hidrogênio a partir de água solvatada e as moléculas de hidroxila oxigênio aceitam ligações fracas de hidrogênio a partir da água”, diz Saykally. “Os dados de XAS devem ser interpretados, comparando as medições de resultados a partir de um espectro calculado, que é um sério desafio. O forte acordo calculado e observado entre nossos espectros de raios-X é uma nova e importante conquista”.

As simulações de dinâmica molecular e a teoria dos princípios da densidade funcional foram usadas para modelar e interpretar as medidas de XAS que foram realizadas sob a liderança de David Prendergast, um cientista da equipe na Teoria de Nanoestruturas Facility em Berkeley Lab Foundry Molecular. The Foundry Molecular, NERSC e o ALS, são todos DOE Escritório de Ciência instalações do usuário nacional hospedados em Berkeley Lab.

“Usando simulações de dinâmica molecular e fomos capazes de simular como o ácido carbônico é solvatado pela água”, diz Prendergast. “Nós então convertemos essa informação em um espectro de absorção XAS que previu que podia ser comparada com as medições experimentais Diretamente no ALS.”

Saykally e Prendergast tem seus resultados publicados na Chemical Physics Letters. O documento é intitulado “A estrutura de hidratação do ácido carbônico aquoso de espectroscopia de absorção de raios-X.” Saykally é o autor correspondente. Outros co-autores, além de Prendergast, são Royce Lam, Alice Inglaterra, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith e Anthony Rizzuto.

Quando o dióxido de carbono se dissolve na água cerca de 1% forma ácido carbônico, que se dissocia quase imediatamente para bicarbonato ânions e prótons. Apesar de sua existência fugaz – cerca de 300 nanossegundos – ácido carbônico é uma espécie intermediária chave no equilíbrio entre o dióxido de carbono, água e muitos minerais. Ela desempenha um papel fundamental no ciclo do carbono – a troca de dióxido de carbono entre a atmosfera e os oceanos – e no tamponamento de sangue e outros fluidos corporais. O tempo de vida curto de ácido carbônico na água torna-o extremamente difícil de estudar.

Saykally e seu grupo de pesquisa superaram este obstáculo no desenvolvimento de uma tecnologia de microinjeção líquida que mistura rapidamente as duas amostras com um fluxo que corre em um bico fino com ponta que é feito de sílica fundida e apresenta uma abertura apenas com alguns micrômetros de diâmetro. O feixe líquido resultante viaja para alguns centímetros numa câmara de vácuo, onde é cortada por um feixe de raios X e em seguida, para a um condensado recolhido do lado de fora. Saykally e seu grupo têm seu sistema microjet líquido de set-up em ALS Beamline 8.0.1, com um alto fluxo ondulador que produz feixes de raios-X otimizados para estudos XAS

“A chave para o nosso sucesso foi um avanço em nossa tecnologia microjet líquido para alcançar uma mistura rápida de reagentes, ácido clorídrico e bicarbonato, e imediata sondagem dos produtos do ácido carbônico”, diz Saykally.

Para este estudo, e seu grupo me para variação de XAS chamado de espectroscopia Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS), uma técnica de sonda específica do átomo, tanto da estrutura eletrônica de uma molécula e seu ambiente químico local. NEXAFS é perfeita para obtenção de caracterizações detalhadas de interações de hidratação, no entanto, ela tem sido amplamente limitada a estudos em gases e sólidos, devido às dificuldades de se trabalhar com amostras líquidas em alto vácuo. Ao incorporar a sua tecnologia microjet no ambiente de alto vácuo de um síncrotron beamline de raios-X, Saykally e seu grupo conseguiram tornar confiáveis o uso de NEXAFS para realizar em amostras líquidas.

Por trás deste estudo, os pesquisadores dizem que os resultados são importantes para compreender e modelar a forma como o equilíbrio e rendimento químico entre ácido carbônico e dióxido de carbono em aquíferos salinos e outros meios de comunicação que propõem seqüestro de carbono. O mesmo processo de equilíbrio rege a respiração dos organismos vivos.

“Como o ácido carbônico no gás e sólidos ambas as fases tem sido bem estudadas, a nossa nova solução de água funcionará facilitando o desenvolvimento de modelos detalhados para a química reversível de gás-líquido de dióxido de carbono”, diz Saykally.

Fonte: Phys.org

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