La investigación revela los fundamentos químicos de cómo el agua benigna se convierte en peróxido de hidrógeno agresivo

Crédito: Pixabay/CC0 Dominio público

Un nuevo estudio pone una génesis química fascinante e inesperada sobre bases aún más sólidas.

En 2019, investigadores y colegas de la Universidad de Stanford hicieron el sorprendente descubrimiento de que el peróxido de hidrógeno, una sustancia cáustica que se usa para desinfectar superficies y blanquear el cabello, se forma espontáneamente en gotitas microscópicas de agua corriente benigna. Desde entonces, los investigadores han tratado de dilucidar cómo ocurre la reacción recién descubierta, así como explorar aplicaciones potenciales, como métodos de limpieza amigables con el medio ambiente.

El último estudio reveló que cuando pequeñas gotas de agua chocan con una superficie sólida, ocurre un fenómeno conocido como electrificación por contacto. La carga eléctrica salta entre las dos sustancias, líquida y sólida, produciendo fragmentos moleculares inestables llamados especies reactivas de oxígeno. Pares de estas especies conocidas como radicales hidroxilo, que tienen la fórmula química OH, pueden combinarse para formar peróxido de hidrógeno, H2a2En pequeñas cantidades, se pueden detectar.

El nuevo estudio muestra además que este proceso ocurre en ambientes húmedos cuando el agua toca partículas del suelo y partículas finas en la atmósfera. Estos resultados adicionales sugieren que el agua puede convertirse en pequeñas cantidades de especies reactivas de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno, en cualquier lugar donde se formen naturalmente gotas finas, incluida la niebla, la neblina y las gotas de lluvia, lo que fortalece los hallazgos relevantes del estudio de 2020. .

“Tenemos una comprensión real ahora que no teníamos antes sobre por qué se produce la formación de peróxido de hidrógeno”, dijo el autor principal del estudio, Richard Zare, profesor de Ciencias Naturales Marguerite Blake Wilbur y profesor de Química en la Universidad de Stanford. Humanidades y Ciencias. “Además, la electrificación por contacto que da como resultado peróxido de hidrógeno parece ser un fenómeno global en las interfaces sólido-agua”.

Zari dirigió este trabajo, en colaboración con investigadores de dos universidades en China, la Universidad de Jiang’an y la Universidad de Wuhan, así como la Academia de Ciencias de China. El estudio fue publicado el 1 de agosto en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNA).

Sobre los orígenes del peróxido de hidrógeno

Para el estudio, los investigadores construyeron un dispositivo de vidrio con canales microscópicos en los que se podía inyectar agua a la fuerza. Los canales formaban un límite sólido y hermético. Los investigadores apagaron el agua con un tinte fluorescente que brilla en presencia de peróxido de hidrógeno. Un experimento mostró la presencia de un químico agresivo en el canal microfluídico vítreo, pero no en una gran muestra de agua que también contenía el tinte. Experimentos adicionales demostraron que el peróxido de hidrógeno se forma rápidamente, en segundos, en el límite entre el agua y un sólido.

Para medir si el átomo de oxígeno en exceso en el peróxido de hidrógeno (H2a2) que resulta de una reacción con vidrio o dentro del agua (H2O) por sí solo, los investigadores trataron el revestimiento de vidrio de algunos canales de microfluidos. Estos canales tratados contenían un isótopo más pesado o una versión del oxígeno, llamado oxígeno-18 o 18La comparación de la mezcla posterior a la reacción de agua y peróxido de hidrógeno líquido de canales tratados y no tratados mostró una señal 18O en el primero, indica que el sólido es la fuente de oxígeno en los radicales hidroxilo y, en última instancia, en el peróxido de hidrógeno.

Los nuevos hallazgos podrían ayudar a resolver parte de la controversia que se ha generado en la comunidad científica desde que los investigadores de la Universidad de Stanford anunciaron por primera vez su nuevo descubrimiento de peróxido de hidrógeno en gotas de agua microscópicas hace tres años. Otros estudios han confirmado las principales contribuciones a la producción de peróxido de hidrógeno a través de reacciones químicas con gas ozono, O3, y un proceso llamado cavitación, cuando surgen burbujas de vapor en áreas de baja presión dentro del fluido en aceleración. Zare señaló que estos dos procesos también producen peróxido de hidrógeno en cantidades relativamente mayores.

“Todos estos procesos contribuyen a la producción de peróxido de hidrógeno, pero el trabajo actual confirma que esta producción también es intrínseca a la forma en que se forman las microgotas e interactúan con las superficies sólidas a través de la electrificación por contacto”, dijo Zare.

Cambiando las tornas sobre los virus respiratorios estacionales

Zare explicó que determinar cómo y en qué situaciones el agua puede convertirse en especies reactivas de oxígeno, como el peróxido de hidrógeno, tiene una variedad de aplicaciones e ideas del mundo real. Lo más urgente es comprender la formación de radicales hidroxilo y peróxido de hidrógeno como contribuyentes desatendidos de la estacionalidad conocida de muchas enfermedades respiratorias virales, incluidos los resfriados y la influenza, y probablemente COVID-19 una vez que la enfermedad finalmente sea completamente endémica.

Las infecciones respiratorias virales se transmiten por el aire en forma de gotas acuosas cuando los pacientes tosen, estornudan, cantan o simplemente hablan. Estas infecciones tienden a aumentar en el invierno y disminuir en el verano, una tendencia que se debe en parte a que las personas pasan más tiempo en el interior y en las proximidades que son altamente contagiosas durante la temporada de clima frío. Sin embargo, entre el trabajo, la escuela y dormir por la noche, las personas también terminan pasando aproximadamente la misma cantidad de tiempo en el interior durante los meses de clima cálido. Zare dijo que los hallazgos del nuevo estudio ofrecen una posible explicación de por qué el invierno está asociado con más casos de influenza: la variable principal en el trabajo es la humedad y la cantidad de agua en el aire. En verano, los niveles relativos más altos de humedad interior, asociados con una mayor humedad en el aire cálido del exterior, probablemente faciliten las especies reactivas de oxígeno en las gotas que tienen suficiente tiempo para matar los virus. Por el contrario, en el invierno, cuando el aire interior se calienta y su humedad desciende, las gotas se evaporan antes de que las especies reactivas de oxígeno puedan actuar como desinfectante.

“La electrificación por contacto proporciona una base química para explicar en parte por qué existe una estacionalidad para las enfermedades respiratorias virales”, dijo Zare. En consecuencia, agregó Zare, las investigaciones futuras deberían analizar cualquier vínculo entre los niveles de humedad en el interior de los edificios y la presencia y propagación de infecciones. Si se demuestran más los vínculos, agregar humidificadores a los sistemas HVAC podría reducir la transmisión de enfermedades.

“Un nuevo enfoque para desinfectar superficies es solo uno de los grandes resultados prácticos de este trabajo que involucra la química básica del agua en el medio ambiente”, dijo Zare. “Simplemente demuestra que creemos que sabemos mucho sobre el agua, una de las sustancias más comunes, pero luego nos humillamos”.

Zary también es miembro de Stanford BioX, el Heart and Vascular Institute, el Stanford Cancer Institute, Stanford Chem-H, el Stanford Woods Institute for the Environment y el Wu Tsai Neuroscience Institute.


Químicos descubrieron que diminutas gotas de agua producen peróxido de hidrógeno espontáneamente


más información:
Bolei Chen et al, La electrificación por contacto agua-acero hace que se produzca peróxido de hidrógeno a partir de la recombinación de radicales hidroxilo en las microgotas rociadas, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2022). DOI: 10.1073/pnas.2209056119

Presentado por la Universidad de Stanford

La frase: La investigación revela los fundamentos químicos de cómo el agua benigna se convierte en peróxido de hidrógeno agresivo (2 de agosto de 2022) Consultado el 2 de agosto de 2022 en https://phys.org/news/2022-08-reveals-chemical-underpinnings-benign-harsh .lenguaje de programación

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