Nêutrons expõem a estrutura cristalina do indescritível ácido carbônico
Todos acreditam que o conhecem, mas continua sendo um dos maiores segredos da química: o ácido carbônico. Até agora, ninguém havia visto a estrutura molecular do composto formado por hidrogênio, oxigênio e carbono de fórmula química H2CO3. O composto se decompõe rapidamente – pelo menos na superfície da Terra – em água e dióxido de carbono ou reage para formar hidrogenocarbonato, uma substância que também se decompõe.
É o que dá gás à água mineral e ao champanhe."Como as pessoas não acreditam no que não podem ver, os livros de química geralmente afirmam que o ácido carbônico não existe ou, pelo menos, que não pode ser isolado com absoluta certeza,"diz o Prof. Richard Dronskowski, diretor do Instituto de Química Inorgânica da RWTH Aachen.
Com sua equipe no RWTH e no Instituto Hoffmann de Materiais Avançados (HIAM) em Shenzhen, China, ele conseguiu produzir ácido carbônico cristalino e analisar sua estrutura pela primeira vez. Portanto, é hora de reescrever os livros didáticos.
Os pesquisadores levaram oito anos para provar a existência do composto."Nossos cálculos baseados em computador mostraram inicialmente que teríamos que criar temperaturas de menos 100°C combinadas com uma pressão de cerca de 20.000 atmosferas para que os cristais de ácido carbônico fossem formados a partir de água e dióxido de carbono. Então tivemos que projetar e construir um aparelho que pudesse suportar essas condições extremas,"diz Dronskowski.
As paredes da célula de medição, que não é maior que um frasco de perfume, consistem em uma liga especialmente produzida. Uma janela de diamante permite que os pesquisadores vejam o interior. Nesta célula, uma mistura de água congelada e gelo seco de dióxido de carbono é submetida a pressão com uma bigorna. Sob essas condições extremas, os cristais realmente se formaram.
Usando nêutrons para ver melhor
Para saber mais sobre a composição e estrutura dos cristais, a equipe levou a célula de medição ao FRM II em Munique:"Para nossas investigações, precisávamos de feixes de nêutrons,"lembra Dronskowski.
"Os raios X interagem com os elétrons nos átomos. Mas os nêutrons interagem com os núcleos. Como resultado, eles podem ser usados para tornar visíveis até átomos muito leves, como o hidrogênio, que contém apenas um único elétron. Isso foi essencial para nós porque nossos cristais contêm hidrogênio. Tínhamos que saber onde os átomos de hidrogênio estão localizados na molécula."
Para usar feixes de nêutrons para investigar a estrutura atômica de um cristal, são necessários instrumentos de medição extremamente sensíveis, como o difratômetro STRESS-SPEC. Foi desenvolvido para medir os efeitos de deslocamento de tensões na rede cristalina. Para a medição, um monocromador é usado para selecionar um comprimento de onda específico do feixe de nêutrons emitido pelo reator de pesquisa FRM II.
Este feixe monocromático pode ser direcionado usando fendas especiais para focalizá-lo inteiramente no interior da célula de medição, explica o pesquisador da TUM e líder do grupo FRM II, Dr. Michael Hofmann:"Isso nos permite estudar volumes de amostra muito pequenos em uma resolução extremamente alta. Para a análise da amostra de Aachen, que tinha um volume de apenas alguns milímetros cúbicos, era ideal."
Quando o feixe de nêutrons monocromatizado atinge um cristal, ele é desviado pela interação com os átomos. Isso produz um padrão de difração a partir do qual a estrutura da rede cristalina pode ser deduzida - pelo menos teoricamente.
O quebra-cabeça da estrutura
"Em termos práticos, a análise dos dados de medição foi um verdadeiro desafio,"diz Dronskowski. Os pesquisadores levaram mais de dois anos para identificar milhares de possibilidades estruturais com seus algoritmos e compará-los com os resultados experimentais. Com essa abordagem, eles finalmente conseguiram identificar a estrutura dos cristais que se formaram no interior da célula de medição: eles realmente consistem em H2CO3 moléculas ligadas por pontes de hidrogênio, formando uma estrutura de baixa simetria"monoclinal"estrutura.
"Nosso trabalho era principalmente pesquisa fundamental: os químicos só precisam saber disso - eles não podem evitar. Mas agora, onde conhecemos as condições sob as quais o ácido carbônico se forma, podemos imaginar aplicações práticas,"diz Dronskowski.
Por exemplo, os cosmólogos que detectam vestígios de ácido carbônico em planetas ou luas distantes poderão tirar conclusões sobre as condições ali existentes. Os resultados também podem ser interessantes para a geoengenharia: por exemplo, agora é possível calcular quando os cristais de ácido carbônico se formarão quando o dióxido de carbono for colocado sob alta pressão sob condições úmidas abaixo do solo.
A pesquisa foi publicada em Inorgânicos.
