Nuevo estudio

Resuelven un experimento químico que era un misterio desde hace 100 años

Los expertos llevan un siglo tratando de darle explicación a una pregunta muy compleja: ¿cómo se transforman algunos no metales en metales?

Foto: Foto: iStock
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Los científicos por fin pueden entender el misterio detrás de un experimento de química de un siglo de antigüedad. Los detalles de esta transformación, en la que la adición de electrones a una solución azul brillante de amoníaco la transforma en un bronce brillante y metálico, hace tiempo que eludieron a los científicos.

Un nuevo estudio revela los detalles sutiles de este cambio, y muestra que esta transformación es gradual, en lugar de repentina. "Lo que hemos hecho con éxito es que hemos entendido bastante bien cómo se comportan estas soluciones en una amplia gama de concentraciones utilizando una técnica de microjet", explica el coautor del estudio Ryan McMullen, estudiante de doctorado en química en la Universidad del Sur de California. Esta técnica, que consiste en disparar corrientes delgadas de la solución a través del vacío, no se ha utilizado antes en el líquido brillante.

Y el descubrimiento podría abrir nuevos tipos de reacciones en química orgánica en el futuro, señala McMullen a 'Live Science'.

Los diferentes metales

Los metales son un grupo diverso. Algunos, como el litio, son lo suficientemente ligeros como para flotar, mientras que otros, como el plomo o el osmio, son extremadamente densos. Algunos requieren temperaturas increíblemente altas para derretirse, mientras que otros se derriten fácilmente (Mercurio, por ejemplo, se derrite a menos 38.3 grados Celsius, o menos 37.9 grados Fahrenheit). En última instancia, lo que los metales tienen en común es su capacidad para conducir electricidad en cero absoluto, el punto en el que el movimiento molecular del calor se detiene esencialmente.

Pero, ¿cómo se transforman algunos no metales en metales? En un nuevo estudio, los investigadores respondieron esa pregunta añadiendo metales al amoníaco líquido.

Primero, los investigadores condensaron el amoníaco, que es un gas a temperatura ambiente, en un líquido al enfriarlo a 27.4 F (menos 33 C). Luego agregaron sodio , litio o potasio, que son todos metales alcalinos. (Más bien famoso, estos metales reaccionan explosivamente cuando se sumergen en agua). Los experimentos se realizaron en colaboración con científicos de la Academia de Ciencias Checa y el Instituto Fritz-Haber de la Sociedad Max Planck en Berlín, así como investigadores en Japón y Francia.

El resultado fue una reacción esperada: el amoníaco líquido extrajo electrones del metal. Esos electrones quedaron atrapados entre las moléculas de amoníaco, creando los llamados electrones solvatados que los investigadores esperaban estudiar. A bajas concentraciones, el resultado fue un líquido azul no metálico. Sin embargo, a medida que los electrones solvatados o atrapados se acumularon, la solución pasó al bronce brillante.

Foto: Live Science / Phil Mason
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El siguiente desafío fue investigar cómo se comportaron los electrones solvatados a diferentes concentraciones. Esto implicaba disparar un microjet de la solución, aproximadamente del ancho de un cabello humano, a través de un haz de rayos X sincrotrón , que son rayos de rayos X de alta energía. Los rayos X excitaron los electrones solvatados, haciéndolos saltar de su jaula líquida de moléculas de amoníaco. Luego, los investigadores pudieron medir la cantidad de energía necesaria para liberar los electrones solvatados.

Los investigadores encontraron que cuanto mayor es la concentración de electrones solvatados, más coincide el patrón de liberación de energía con lo que se ve en un metal. Esto es lo que eso significa: si representa gráficamente la cantidad de energía requerida para liberar electrones de su jaula de amoníaco líquido, los metales generalmente tienen lo que se llama un "borde de Fermi", una transición muy abrupta, señala McMullen. A concentraciones más bajas de electrones solvatados, este gráfico de liberación de energía se parece más a una colina redondeada. Solo a concentraciones de electrones más altas surgió este borde de Fermi. El borde refleja cuánta energía tienen los electrones a una temperatura dada, añade McMullen.

"Cuando aumentas la concentración al rango metálico, entonces ves, surge este maravilloso patrón que es muy, muy característico de un metal", apunta McMullen.

Los resultados fueron interesantes porque mostraron que el líquido similar a un metal creado al combinar metales alcalinos y amoníaco en realidad es un metal en un nivel físico fundamental, dice.

"Es un metal genuino, no es algo que se parece a uno", transmite McMullen.

Los electrones solvatados de menor concentración se usan en un tipo de reacción llamada reacción de Birch, que agrega electrones a las estructuras moleculares llamadas anillos aromáticos. Este tipo de reacción se utilizó en la fabricación de las primeras píldoras anticonceptivas orales en la década de 1950, dijo McMullen. Al comprender cómo funcionan los electrones solvatados a altas concentraciones, los investigadores pueden encontrar nuevos tipos de reacciones químicas. Por ejemplo, podrían excitar los electrones solvatados con haces de luz para que se comporten de nuevas maneras.

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