El hidrógeno se considera ampliamente como una fuente de energía clave para el futuro, lo que hace que sea importante comprender cómo se divide el agua durante la electrólisis. Los científicos del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros y el Departamento de Química Yusuf Hamid de la Universidad de Cambridge examinaron más de cerca un proceso estrechamente relacionado conocido como autodisociación del agua. Aunque la química básica de la división del agua se comprende bien en situaciones cotidianas, se sabe poco sobre cómo se comporta el agua dentro de dispositivos electroquímicos donde hay fuertes campos eléctricos.
En toda la naturaleza, los sistemas grandes y pequeños siguen algunos principios clave. Los objetos caen porque al hacerlo pierden energía. Al mismo tiempo, el orden y el desorden influyen fuertemente en cómo se desarrollan los procesos físicos. Con el tiempo, los sistemas tienden a volverse más caóticos, algo que la mayoría de la gente reconoce en la vida cotidiana. Esta tendencia al desorden también se aplica a escala molecular y se describe mediante una propiedad conocida como entropía.
La energía y la entropía juntas determinan si se producirá un proceso químico. Cuando la energía disminuye o cuando el desorden aumenta, la reacción se produce de forma natural. En condiciones normales, como en un vaso de agua, las moléculas de agua rara vez se rompen por sí solas porque el proceso se ve frenado tanto por la energía como por la entropía. Sin embargo, cuando se introduce un campo eléctrico intenso, la situación cambia drásticamente.
Un proceso sorprendente bajo fuertes campos eléctricos
Investigadores del Instituto Max Planck y la Universidad de Cambridge han descubierto un mecanismo inesperado que controla la automovilidad del agua bajo intensos campos eléctricos. Su investigación, publicada Revista de la Sociedad Química EstadounidenseEsto desafía la suposición arraigada desde hace mucho tiempo de que la respuesta está controlada principalmente únicamente por la energía.
“La automovilidad del agua se ha estudiado ampliamente en condiciones masivas, donde se entiende que es energéticamente empinada y entrópicamente limitada”, dijo el líder del grupo Jar Littmann del Instituto Max Planck. “Pero bajo el fuerte campo eléctrico típico de un entorno electroquímico, la reacción se comporta de manera muy diferente”.
Cómo los campos eléctricos convierten el orden en fuerzas impulsoras
Utilizando simulaciones avanzadas de dinámica molecular, Littman y el coautor Angelos Michaelides descubrieron que los campos eléctricos fuertes aumentan en gran medida la disociación del agua de una manera inesperada. En lugar de reducir el consumo energético de la reacción, el campo eléctrico favorece el proceso aumentando la entropía. El campo primero fuerza a las moléculas de agua a un orden superior. A medida que los iones comienzan a formarse, esa estructura se descompone, lo que aumenta el desorden e impulsa la reacción.
“Esto es exactamente lo contrario de lo que sucede en el caso cero”, explica Litman. “En lugar de impedir la retroalimentación de entropía, ahora la promueve”.
pH e implicaciones para el diseño electroquímico
Los investigadores también descubrieron que los campos eléctricos fuertes pueden alterar significativamente la acidez del agua. En estas condiciones, el pH puede variar desde valores neutros (7) hasta valores muy ácidos (tan bajos como 3). Este cambio tiene consecuencias importantes sobre cómo funcionan los sistemas electroquímicos y cómo deben diseñarse.
“Estos resultados apuntan a un nuevo paradigma”, afirmó Michaelides. “Para comprender y mejorar los dispositivos que dividen el agua, debemos considerar no sólo la energía, sino también la entropía y cómo los campos eléctricos remodelan el paisaje molecular del agua”.
Los hallazgos sugieren que los científicos necesitan repensar cómo se modelan las reacciones químicas en el agua cuando intervienen campos eléctricos. También abren nuevas direcciones para el diseño de catalizadores, especialmente para reacciones electroquímicas y “en agua”.
