23.11.2022 - Technische Universität München

El escurridizo ácido carbónico: ¡existe de verdad!

Todo el mundo cree que lo sabe, pero ha seguido siendo uno de los mayores secretos de la química

La existencia del ácido carbónico ha sido durante mucho tiempo objeto de debate: teóricamente real, pero prácticamente imposible de detectar. Esto se debe a que el compuesto se descompone en la superficie de la Tierra. Un equipo germano-chino de investigadores que trabaja en la Fuente de Neutrones de Investigación FRM II de la Universidad Técnica de Múnich (TUM) ha hecho visible por primera vez la estructura cristalina de las moléculas de ácido carbónico.

Todo el mundo cree que lo conoce, pero sigue siendo uno de los mayores secretos de la química: el ácido carbónico. Hasta ahora, nadie había visto la estructura molecular del compuesto formado por hidrógeno, oxígeno y carbono con la fórmula química H2CO3. Este compuesto se descompone rápidamente -al menos en la superficie de la Tierra- en agua y dióxido de carbono o reacciona para formar carbonato de hidrógeno, una sustancia que también se descompone. Es lo que da la efervescencia al agua mineral y al champán. "Como la gente no cree en lo que no puede ver, los libros de química suelen afirmar que el ácido carbónico no existe o, al menos, que no se puede aislar con absoluta certeza", afirma el profesor Richard Dronskowski, director del Instituto de Química Inorgánica de la RWTH de Aquisgrán.

Ahora, con su equipo de la RWTH y del Instituto Hoffmann de Materiales Avanzados (HIAM) de Shenzhen (China), ha conseguido producir ácido carbónico cristalino y analizar su estructura por primera vez. Ha llegado el momento de reescribir los libros de texto.

Los investigadores tardaron ocho años en demostrar la existencia del compuesto. "Nuestros cálculos por ordenador mostraron inicialmente que tendríamos que crear temperaturas de menos 100°C combinadas con una presión de unas 20.000 atmósferas para que se formaran cristales de ácido carbónico a partir de agua y dióxido de carbono. Así que tuvimos que diseñar y construir un aparato que pudiera soportar estas condiciones extremas", dice Dronskowski. Las paredes de la célula de medición, que no es más grande que un frasco de perfume, consisten en una aleación especialmente fabricada. Una ventana de diamante permite a los investigadores ver el interior. En esta celda, una mezcla de agua congelada y hielo seco de dióxido de carbono se somete a presión con un yunque. En estas condiciones extremas, se formaron realmente cristales.

Utilizar los neutrones para ver mejor

Para conocer mejor la composición y la estructura de los cristales, el equipo llevó la célula de medición al FRM II de Múnich: "Para nuestras investigaciones, necesitábamos haces de neutrones", recuerda Dronskowski. "Los rayos X interactúan con los electrones de los átomos. Pero los neutrones interactúan con los núcleos. Por ello, pueden utilizarse para hacer visibles incluso átomos muy ligeros, como el hidrógeno, que sólo contiene un electrón. Esto era esencial para nosotros porque nuestros cristales contienen hidrógeno. Teníamos que saber dónde se encuentran los átomos de hidrógeno en la molécula".

Para utilizar haces de neutrones para investigar la estructura atómica de un cristal, se necesitan instrumentos de medición extremadamente sensibles, como el difractómetro STRESS-SPEC. Se desarrolló para medir los efectos de desplazamiento de las tensiones en la red cristalina. Para la medición, se utiliza un monocromador para seleccionar una longitud de onda específica del haz de neutrones emitido por el reactor de investigación FRM II. Este haz monocromático puede dirigirse mediante unas rendijas especiales para enfocarlo por completo en el interior de la célula de medición, explica el Dr. Michael Hofmann, investigador de la TUM y jefe del grupo FRM II: "Esto nos permite estudiar volúmenes de muestra muy pequeños con una resolución extremadamente alta". Para el análisis de la muestra de Aquisgrán, que tenía un volumen de apenas unos milímetros cúbicos, fue ideal". Cuando el haz de neutrones monocromatizado incide en un cristal, se desvía por la interacción con los átomos. Esto produce un patrón de difracción del que se puede deducir la estructura de la red cristalina, al menos en teoría.

El rompecabezas de la estructura

"En la práctica, el análisis de los datos de las mediciones fue un verdadero reto", afirma Dronskowski. Los investigadores tardaron más de dos años en identificar miles de posibilidades estructurales con sus algoritmos y contrastarlas con los resultados experimentales. Con este enfoque, finalmente consiguieron identificar la estructura de los cristales que se formaron en el interior de la célula de medición: Efectivamente, están formados por moléculas de H2CO3 unidas por enlaces de hidrógeno, formando una estructura "monoclinal" de baja simetría.

"Nuestro trabajo era sobre todo investigación fundamental: los químicos necesitan saber esto, no pueden evitarlo. Pero ahora, que conocemos las condiciones en las que se forma el ácido carbónico, podemos imaginar aplicaciones prácticas", dice Dronskowski. Por ejemplo, los cosmólogos que detecten rastros de ácido carbónico en planetas o lunas lejanas podrán sacar conclusiones sobre las condiciones que se dan allí. Los resultados también podrían ser interesantes para la geoingeniería: Por ejemplo, ahora es posible calcular cuándo se formarán cristales de ácido carbónico cuando el dióxido de carbono se coloque a alta presión en condiciones de humedad bajo tierra.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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