{"id":131792,"date":"2010-06-18T11:45:45","date_gmt":"2010-06-18T10:45:45","guid":{"rendered":"http:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/?p=131792"},"modified":"2010-06-18T16:33:05","modified_gmt":"2010-06-18T15:33:05","slug":"avances-en-quimica-basica-la-dinamica-de-las-reacciones-quimicas","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/2010\/06\/18\/131792","title":{"rendered":"Avances en qu\u00edmica b\u00e1sica: la din\u00e1mica de las reacciones qu\u00edmicas."},"content":{"rendered":"

En la edici\u00f3n de la revista Nature<\/em> del 10 de junio de 2010, se ha publicado un art\u00edculo<\/a> describiendo la reacci\u00f3n de fotoionizaci\u00f3n de la mol\u00e9cula de hidr\u00f3geno. Este estudio ha\u00a0 combinado una aproximaci\u00f3n experimental y computacional para describir con precisi\u00f3n el movimiento de los electrones en una reacci\u00f3n qu\u00edmica. Para ello se han usado pulsos l\u00e1ser ultravioleta, de duraci\u00f3n de 300-400 atosegundos, para promover la ionizaci\u00f3n de las mol\u00e9culas de hidr\u00f3geno (H2<\/sub>) y de deuterio (D2<\/sub>). El art\u00edculo es una aportaci\u00f3n muy importante al \u00e1rea de la din\u00e1mica qu\u00edmica y es el fruto de la colaboraci\u00f3n\u00a0 de 9 grupos internacionales, entre ellos, el de Fernando Mart\u00edn<\/a> del Departamento de Qu\u00edmica de la Universidad Aut\u00f3noma de Madrid. El profesor Mart\u00edn explic\u00f3 la investigaci\u00f3n en una entrevista en A Hombros de Gigantes<\/a>.<\/strong><\/p>\n

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Una parte importante de la qu\u00edmica f\u00edsica es el estudio de los mecanismos de reacci\u00f3n; lo que implica conocer el \u201ccamino\u201d por el que los sustratos (materiales de partida, reactivos, reactantes) se convierten en los productos en una reacci\u00f3n qu\u00edmica. Tiene tres aspectos relacionados a considerar:<\/p>\n

1) La velocidad de reacci\u00f3n<\/strong>. Es decir, c\u00f3mo de r\u00e1pido los sustratos se convierten en productos. Normalmente, la velocidad de reacci\u00f3n es directamente proporcional a la concentraci\u00f3n de los materiales de partida. La constante de proporcionalidad, denominada constante de velocidad<\/strong> o constante cin\u00e9tica <\/strong>(k<\/em>), es la caracter\u00edstica importante de una reacci\u00f3n qu\u00edmica. El \u00e1rea de la qu\u00edmica f\u00edsica que determina velocidades de reacci\u00f3n (experimentalmente) es la cin\u00e9tica qu\u00edmica<\/strong>.<\/p>\n

2) Energ\u00eda<\/strong>. Conocer un mecanismo detallado de reacci\u00f3n implica conocer el contenido energ\u00e9tico de cada una de las especies qu\u00edmicas. Muy pocas reacciones qu\u00edmicas transcurren en una \u00fanica etapa y lo habitual es que los sustratos se conviertan en productos a trav\u00e9s de varias especies qu\u00edmicas, denominadas intermedios de reacci\u00f3n, que normalmente suelen tener m\u00e1s energ\u00eda (es decir, termodin\u00e1micamente menos estable) que los sustratos o productos. Cada conversi\u00f3n de sustrato en intermedio o de estos en productos transcurre a trav\u00e9s de un m\u00e1ximo energ\u00e9tico, que es el estado de transici\u00f3n de cada etapa elemental; la diferencia de energ\u00eda entre cada intermedio y el m\u00e1ximo energ\u00e9tico es la energ\u00eda de activaci\u00f3n<\/strong> (Ea<\/sub>) de la etapa elemental. La energ\u00eda de activaci\u00f3n de la reacci\u00f3n global es igual a la mayor energ\u00eda de activaci\u00f3n de las etapas elementales. Con las diversas etapas elementales e intermedios de reacci\u00f3n, el perfil de una reacci\u00f3n<\/strong> (la representaci\u00f3n de la energ\u00eda frente al progreso de la reacci\u00f3n) es un conjunto de montes y valles como se representa en la imagen siguiente.<\/p>\n

\"Perfil_energia\"<\/a><\/p>\n

Del sitio web<\/a>.<\/p>\n

La Ea<\/sub> es el par\u00e1metro termodin\u00e1mico fundamental para determinar lo f\u00e1cil o dif\u00edcil que puede ser una reacci\u00f3n qu\u00edmica. Arrenhius postul\u00f3 que k<\/em> depende exponencialmente del valor negativo de la energ\u00eda de activaci\u00f3n (Ea<\/sub>), dando lugar a la ecuaci\u00f3n de Arrhenius<\/a>, que ha sido suficientemente probada experimentalmente. Debido a la dependencia inversamente exponencial entre k<\/em> y Ea<\/sub>, cuanto mayor es Ea<\/sub>, menor es la velocidad de reacci\u00f3n.<\/p>\n

\"Ecuacion_Arrhenius\"<\/a><\/p>\n

A partir de datos cin\u00e9ticos a diversas temperaturas se puede determinar la energ\u00eda de activaci\u00f3n de una reacci\u00f3n qu\u00edmica. Por m\u00e9todos espectrosc\u00f3picos o por cualquier medio indirecto (por ejemplo, \u201catrap\u00e1ndolos\u201d en reacciones secundarias) se pueden identificar algunos intermedios (cuanto m\u00e1s estable, m\u00e1s f\u00e1cil se detecta); pero es dif\u00edcil determinar experimentalmente la existencia de todos los intermedios sint\u00e9ticos de una reacci\u00f3n. En los \u00faltimos tiempos, la investigaci\u00f3n de mecanismos de reacci\u00f3n ha recibido un impulso considerable de la qu\u00edmica computacional<\/strong>, d\u00f3nde no existe el \u201cinconveniente\u201d de la inestabilidad de una especie qu\u00edmica para proceder a su estudio. En \u00a0esta aproximaci\u00f3n, se postulan posibles intermedios sint\u00e9ticos y estados de transici\u00f3n de las etapas elementales; y se determinan computacionalmente sus energ\u00edas y estructuras (geometr\u00edas: conectividades, distancias de enlace, \u00e1ngulos de enlace y \u00e1ngulos diedros). La metodolog\u00eda computacional permite decidir si la estructura propuesta como estado de transici\u00f3n es realmente un estado de transici\u00f3n y, adem\u00e1s, se corresponde con la transformaci\u00f3n propuesta.<\/p>\n

3) Movimientos de los componentes del \u00e1tomo<\/strong>. \u00a0Para conocer el mecanismo de reacci\u00f3n detallado, es decir a nivel at\u00f3mico, es necesario conocer el movimiento de los n\u00facleos y de los electrones. Este era un reto considerado imposible de alcanzar experimentalmente, aunque el proceso se puede modelizar por m\u00e9todos computacionales. Un avance considerable se consigui\u00f3 cuando se usaron pulsos l\u00e1ser de duraci\u00f3n ultracorta.<\/p>\n

Cin\u00e9tica qu\u00edmica experimental<\/strong>. El objetivo es determinar la variaci\u00f3n de la concentraci\u00f3n de sustratos o productos con el tiempo y ajustar los datos a alguna de las ecuaciones te\u00f3ricas de la cin\u00e9tica qu\u00edmica.<\/p>\n

Muchas reacciones importantes, por ejemplo la reducci\u00f3n de nitr\u00f3geno a amoniaco ocurren muy lentamente, siendo necesaria la presencia de un catalizador<\/strong>; que es una especie qu\u00edmica que no se consume en una reacci\u00f3n, pero que aumenta la velocidad de la misma. Por supuesto, aunque el catalizador no se consume en la reacci\u00f3n, s\u00ed participa en el mecanismo de la misma, generando intermedios de reacci\u00f3n que evolucionan regenerando el catalizador, que vuelve a comenzar el ciclo catal\u00edtico. Las cin\u00e9ticas de estas reacciones \u201clentas\u201d se pueden seguir con un cron\u00f3metro.<\/p>\n

Con el objetivo de obtener datos de las etapas elementales de un mecanismo de reacci\u00f3n (o determinar la velocidad de una reacci\u00f3n muy r\u00e1pida), d\u00f3nde hay que determinar la variaci\u00f3n de concentraci\u00f3n de intermedios\u00a0 (que est\u00e1n presente en muy peque\u00f1as concentraciones y con tiempos de vida, generalmente, muy cortos), fue necesario desarrollar m\u00e9todos experimentales adecuados. Manfred Eigen (Premio Nobel en 1967<\/a>) desarroll\u00f3 m\u00e9todos adecuados para medir la velocidad de reacciones en la escala de tiempo de los microsegundos (un microsegundo = 10-6<\/sup> segundos). El m\u00e9todo de relajaci\u00f3n<\/a> desarrollado por Eigen consiste en alterar un estado de equilibrio de una reacci\u00f3n qu\u00edmica (suministrando energ\u00eda de alguna manera) y midiendo el tiempo que tarda el sistema en volver a alcanzar el equilibrio.<\/p>\n

M\u00e1s recientemente, Ahmed Zewail (Premio Nobel en 1999<\/a>) encontr\u00f3 que se pod\u00eda usar un pulso l\u00e1ser<\/a> de femtosegundos (un femtosegundo = 10-15<\/sup> segundos) de duraci\u00f3n para estudiar experimentalmente detalles y velocidades de reacciones a nivel at\u00f3mico, siendo una t\u00e9cnica poderosa para seguir el movimiento de los n\u00facleos en una mol\u00e9cula durante una reacci\u00f3n qu\u00edmica.<\/p>\n

Zewail anticip\u00f3 que un pulso l\u00e1ser de duraci\u00f3n de atosegundos<\/a> (un atosegundo = 10-18<\/sup> segundos) permitir\u00eda monitorizar el movimiento de los electrones durante una reacci\u00f3n qu\u00edmica. Y esto es lo que han conseguido los autores del art\u00edculo en Nature, estudiando la reacciones de fotoionizaci\u00f3n de las mol\u00e9culas de hidr\u00f3geno (H2<\/sub>) y de deuterio (D2<\/sub>), un is\u00f3topo del hidr\u00f3geno. Los resultados experimentales han sido completados con extensos c\u00e1lculos mecano-cu\u00e1nticos (realizados por el grupo de la UAM) para resolver la ecuaci\u00f3n de Schr\u00f6dinger dependiente del tiempo<\/a> (la ecuaci\u00f3n que describe el estado de un sistema cu\u00e1ntico, por ejemplo, un electr\u00f3n), que ha llevado el uso de un superordenador durante muchos miles de hora, pues aunque el sistema solo tenga dos electrones, la resoluci\u00f3n de dicha ecuaci\u00f3n no es anal\u00edtica debido al efecto de correlaci\u00f3n electr\u00f3nica<\/a> (la interacci\u00f3n entre los dos electrones del sistema).<\/p>\n

\"Ionizacion_H2\"<\/a><\/p>\n

Este tipo de estudios supone un avance considerable en el estudio de las reacciones qu\u00edmicas, constituyendo un \u00e1rea de la qu\u00edmica f\u00edsica, denominada din\u00e1mica qu\u00edmica.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

En la edici\u00f3n de la revista Nature del 10 de junio de 2010, se ha publicado un art\u00edculo describiendo la reacci\u00f3n de fotoionizaci\u00f3n de la mol\u00e9cula de hidr\u00f3geno. Este estudio ha\u00a0 combinado una aproximaci\u00f3n experimental y computacional para describir con precisi\u00f3n el movimiento de los electrones en una reacci\u00f3n qu\u00edmica. Para ello se han usado pulsos l\u00e1ser ultravioleta, de duraci\u00f3n de 300-400 atosegundos, para promover la ionizaci\u00f3n de las mol\u00e9culas de hidr\u00f3geno (H2) y de deuterio (D2). El art\u00edculo es una aportaci\u00f3n muy importante al \u00e1rea de la din\u00e1mica qu\u00edmica y es el fruto de la colaboraci\u00f3n\u00a0 de 9 grupos\u2026<\/p>\n","protected":false},"author":127,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"ngg_post_thumbnail":0},"categories":[765],"tags":[1918,1914,1915,1917,1919,1916,26599,26593],"blocksy_meta":{"styles_descriptor":{"styles":{"desktop":"","tablet":"","mobile":""},"google_fonts":[],"version":4}},"aioseo_notices":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/131792"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/users\/127"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=131792"}],"version-history":[{"count":16,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/131792\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":131807,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/131792\/revisions\/131807"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=131792"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=131792"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.madrimasd.org\/blogs\/quimicaysociedad\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=131792"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}