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El hidrógeno es una importante fuente de energía para el futuro. Por eso es esencial comprender el proceso de electrólisis.
Investigadores del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros y del Departamento de Química Yusuf Hamied de la Universidad de Cambridge han investigado ahora con más detalle un proceso relacionado, el de autodisociación. Aunque la química fundamental de la disociación del agua se conoce bien en condiciones normales, se sabe mucho menos sobre cómo se comporta bajo los fuertes campos eléctricos presentes en los dispositivos electroquímicos.
En la naturaleza, el comportamiento de los sistemas, ya sean grandes o pequeños, se rige siempre por unos pocos principios fundamentales. Por ejemplo, los objetos caen hacia abajo porque así se minimiza su energía. Al mismo tiempo, el orden y el desorden son variables clave que también configuran los procesos físicos. Los sistemas -especialmente nuestros hogares- tienden a desordenarse cada vez más con el paso del tiempo. Incluso a nivel microscópico, los sistemas tienden a favorecer un mayor desorden, fenómeno conocido como aumento de la llamada "entropía".
Estas dos variables -energía y entropía- desempeñan un papel importante en los procesos químicos. Los procesos se producen automáticamente cuando la energía puede reducirse o la entropía, es decir, el desorden, aumenta.
En condiciones normales -como en un vaso de agua- la autodisociación del agua se ve obstaculizada por ambos factores, lo que la convierte en un acontecimiento altamente improbable. Sin embargo, cuando se aplican campos eléctricos intensos, el proceso puede acelerarse drásticamente.
Ahora, este grupo de investigadores han descubierto un sorprendente mecanismo que rige la autodisociación del agua bajo campos tan intensos. Sus hallazgos, publicados en la revista Journal of the American Chemical Society, ponen en tela de juicio la opinión tradicional de que esta reacción se debe principalmente a consideraciones energéticas
"La autodisociación del agua se ha estudiado ampliamente en condiciones normales, donde se entiende que es energéticamente ascendente y entrópicamente dificultosa", afirma Yair Litman, jefe de grupo del Instituto Max Planck. "Pero bajo los fuertes campos eléctricos típicos de los entornos electroquímicos, la reacción se comporta de forma muy diferente".
Mediante simulaciones avanzadas de dinámica molecular, Litman y Angelos Michaelides, coautor del estudio, demuestran que los campos intensos potencian drásticamente la disociación del agua, no porque hagan que la reacción sea más favorable desde el punto de vista energético, sino porque la hacen más favorable desde el punto de vista entrópico.
El campo eléctrico ordena inicialmente las moléculas de agua en una red muy estructurada. Cuando se forman iones, alteran este orden, aumentando la entropía -o desorden- del sistema, lo que en última instancia impulsa la reacción.
"Es una inversión completa de lo que ocurre con campo cero", explica Litman. "En lugar de que la entropía se resista a la reacción, ahora la promueve".
El estudio también demuestra que, bajo fuertes campos eléctricos, el pH del agua puede descender de niveles neutros (7) a niveles altamente ácidos (tan bajos como 3), con implicaciones para la forma en que entendemos y diseñamos los sistemas electroquímicos.
"Estos resultados apuntan a un nuevo paradigma", afirma Michaelides. "Para comprender y mejorar los dispositivos de separación de agua, no sólo debemos tener en cuenta la energía, sino también la entropía, y cómo los campos eléctricos modifican el paisaje molecular del agua".
La investigación subraya la necesidad de replantearse cómo se modela la reactividad en entornos acuosos bajo polarización y abre nuevas posibilidades para el diseño de catalizadores, sobre todo en reacciones electroquímicas y "sobre el agua".
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