aunque el ácido carbónico existe solo por una fracción de segundo antes de cambiar a una mezcla de iones de hidrógeno y bicarbonato, es fundamental tanto la salud de la atmósfera como la del cuerpo humano.
aunque obtiene pocos titulares públicos, el ácido carbónico, la forma hidratada del dióxido de carbono, es fundamental tanto para la salud de la atmósfera como para el cuerpo humano., Sin embargo, debido a que existe solo por una fracción de segundo antes de convertirse en una mezcla de iones de hidrógeno y bicarbonato, el ácido carbónico ha permanecido como un enigma. Un nuevo estudio realizado por investigadores del Berkeley Lab ha arrojado nueva información valiosa sobre el ácido carbónico con importantes implicaciones tanto para las preocupaciones geológicas como biológicas.
Richard Saykally, químico de la División de Ciencias Químicas de Berkeley Lab y profesor de química de la Universidad de California (UC) Berkeley, dirigió un estudio que produjo las primeras mediciones de espectroscopia de absorción de rayos X (XAS) para ácido carbónico acuoso., Estas mediciones XAS, que se obtuvieron en la fuente de luz avanzada (als) de Berkeley Lab, estaban en fuerte acuerdo con las predicciones de SUPERCOMPUTADORAS obtenidas en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de energía (NERSC).
la combinación de resultados teóricos y experimentales proporciona información nueva y detallada sobre las propiedades de hidratación del ácido carbónico acuoso que debería beneficiar el desarrollo de tecnologías de secuestro y mitigación de carbono, y mejorar nuestra comprensión de cómo el ácido carbónico regula el pH de la sangre.,
«nuestros resultados apoyan un número promedio de hidratación de 3.17 con los dos protones del ácido donando cada uno un fuerte enlace de hidrógeno a las aguas solvantes, el oxígeno carbonílico aceptando un fuerte enlace de hidrógeno del agua solvante, y las moléculas de oxígeno hidroxilo aceptando enlaces de hidrógeno débiles del agua», dice Saykally. «Los datos de XAS deben interpretarse comparando las mediciones con los resultados de un espectro calculado, lo cual es un desafío serio. El fuerte acuerdo entre nuestros espectros de rayos X calculados y observados es un logro nuevo y significativo.,»
Las simulaciones de dinámica molecular y el método de teoría funcional de la densidad de primeros principios utilizados para modelar e interpretar las mediciones de XAS se llevaron a cabo bajo la dirección de David Prendergast, un científico de la planta de Teoría de nanoestructuras en la fundición Molecular de Berkeley Lab. La fundición Molecular, NERSC y el ALS, son todas instalaciones nacionales de usuarios de la oficina de ciencia de DOE alojadas en Berkeley Lab.,
«utilizando nuestro modelo de dinámica molecular de primeros principios y simulaciones dinámicas moleculares, pudimos simular cómo el ácido carbónico es solvatado por el agua», dice Prendergast. «Luego convertimos esta información en un espectro de absorción XAS predicho que podría compararse directamente con las mediciones experimentales en el ela.»
(desde la izquierda) Richard Saykally, David Prendergast, Jacob Smith y Royce Lam fueron parte de un equipo que ha proporcionado una valiosa nueva visión del ácido carbónico acuoso., (Foto de Roy Kaltschmidt)
Saykally y Prendergast han publicado sus resultados en Chemical Physical Letters. El artículo se titula » the hydration structure of aqueous carbonic acid from X-ray absorption spectroscopy.»Saykally es el autor para correspondencia. Otros coautores, además de Prendergast, son Royce Lam, Alice England, Alex Sheardy, Orion Shih, Jacob Smith y Anthony Rizzuto.
Cuando el dióxido de carbono se disuelve en agua, aproximadamente el uno por ciento del mismo forma ácido carbónico, que casi inmediatamente se disocia en aniones y protones de bicarbonato., A pesar de su existencia fugaz – unos 300 nanosegundos – el ácido carbónico es una especie intermedia crucial en el equilibrio entre el dióxido de carbono, el agua y muchos minerales. Juega un papel crucial en el ciclo del carbono – el intercambio de dióxido de carbono entre la atmósfera y los océanos – y en el almacenamiento de la sangre y otros fluidos corporales. La corta vida útil del ácido carbónico en el agua ha hecho que sea extremadamente difícil de estudiar.,
Saykally y su grupo de investigación superaron este obstáculo con su desarrollo de una tecnología única de mezcla de microjet líquido en la que dos muestras acuosas se mezclan rápidamente y fluyen a través de una boquilla finamente inclinada que está hecha de sílice fundida y cuenta con una abertura de solo unos pocos micrómetros de diámetro. El haz líquido resultante viaja unos pocos centímetros en una cámara de vacío antes de ser interceptado por un haz de rayos X y luego recogido y condensado. Saykally y su grupo han instalado su sistema de microjet líquido en als Beamline 8.0.,1, Una Línea de haz onduladora de alto flujo que produce haces de rayos X optimizados para estudios XAS.
«la clave de nuestro éxito fue un avance en nuestra tecnología de microjet líquido que nos permite lograr una mezcla rápida de nuestros reactivos, bicarbonato y ácido clorhídrico, y un sondeo inmediato de los productos de ácido carbónico», dice Saykally.
para este estudio, él y su grupo utilizaron una variación de XAS llamada near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) spectroscopy, una técnica de sonda específica del átomo tanto de la estructura electrónica de una molécula como de su entorno químico local., NEXAFS es ideal para obtener caracterizaciones detalladas de las interacciones de hidratación, sin embargo, se ha limitado en gran medida a estudios en gases y sólidos debido a las dificultades de trabajar con muestras líquidas en un alto vacío. Al incorporar su tecnología microjet en el entorno de alto vacío de una línea de rayos X de sincrotrón, Saykally y su grupo pueden realizar NEXAFS en muestras líquidas.,
los investigadores detrás de este estudio dicen que sus resultados son importantes para comprender y modelar cómo procede el equilibrio químico entre el ácido carbónico y el dióxido de carbono en acuíferos salinos y otros medios de secuestro de carbono propuestos. El mismo proceso de equilibrio gobierna la respiración en los organismos vivos.
«como el ácido carbónico tanto en la fase gaseosa como en la sólida ha sido bastante estudiado, nuestro nuevo trabajo de solución de agua facilitará el desarrollo de modelos detallados para la química gas-líquido reversible del dióxido de carbono», dice Saykally.,
esta investigación fue apoyada por la oficina de Ciencia del DOE.
Información Adicional
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