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» » » El agua corriente energiza los minerales

Referencia: Instituto Max Planck .
por prof. Dr. Mischa Bonn, 11 de junio 2014

La carga eléctrica de la superficie de un mineral cambia conforme el agua va fluyendo, este hallazgo resulta importante para comprender los procesos geológicos.

Corriente de un río: Si el agua -consistente en oxígeno, representada aquí por las bolas rojas, y el hidrógeno, representado por las bolas blancas-, se mueve sobre una superficie de un mineral, los iones (simbolizados por las bolas de color gris) son liberados desde la superficie. Tanto los iones como el agua adquieren una carga. Este descubrimiento podría afectar a nuestra comprensión de muchos procesos químicos, como la meteorización de las rocas. © MPI for Polymer Research.
Cuando el agua fluye sobre el vidrio o la piedra, se producen unos cambios químicos, más profundos de lo que se suponía. Un equipo del Mainz-based Max Planck Institute for Polymer Research y de la Universidad de Namur, en Bélgica, usando un sofisticado método espectroscópico, han descubierto que la carga eléctrica de las superficies de los minerales cambia radicalmente en una corriente de agua, ya que muchos iones se van disolviendo preferentemente del material. El tipo de mineral que interviene, y la acidez o alcalinidad de la corriente de agua, determina si se carga positiva o negativamente la superficie y con qué fuerza. Sin embargo, el cambio en la carga puede ser tan radical que equivalga a un cambio de 100 veces la concentración ácida. El cambio en la carga superficial está directamente relacionada con la actividad eléctrica y, en consecuencia, cambia la energía de la superficie y su reactividad. Por tanto, este reciente descubrimiento podría tener consecuencias a la hora de comprender los numerosos procesos químicos en la naturaleza y en la industria.

En química, una superficie suele desempeñar un importante papel, sobre todo cuando están involucradas reacciones de los materiales sólidos. Los cambios de carga de las superficies de los minerales en la corriente de agua eran antes un fenómeno desconocido, que afecta a las propiedades de las superficies y, por tanto, a su comportamiento químico en casi todos los ámbitos de la naturaleza y la ciencia: cuando las gotas de lluvia corren por el cristal de una ventana, cuando los arroyos y ríos van lixiviando sus lechos, cuando los acantilados son erosionados o cuando los reactivos disueltos convergen en un catalizador sólido.

Si bien la importancia de los nuevos hallazgos aún no se puede evaluar con precisión, las implicaciones podrían ser enormes: la mayor parte de la superficie terrestre se compone de minerales cuyas superficies están constantemente, o al menos con bastante frecuencia, lavadas por las corrientes de agua, ya sea en forma de ríos, arroyos o por la precipitación. La reactividad de los minerales bajo la corriente de agua cambia en función de la carga de su superficie, y también se disuelven más o menos rápido dependiendo de la superficie. Por tanto, los hallazgos del equipo, dirigido por los investigadores del Instituto Max Planck, podrían ser relevantes para la erosión del suelo y de las rocas. La meteorización de las rocas también juega un papel en el desarrollo a largo plazo de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, porque el dióxido de carbono se absorbe durante este proceso

La carga superficial es relevante en el caso de la erosión y la meteorización

"Como resultado de nuestros hallazgos sobre los procesos elementales de disolución de los minerales, será necesario revisar las teorías geológicas establecidas e investigar el efecto de la variación de carga superficial en procesos tales como la erosión y la meteorización", explica Mischa Bonn, director del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros. Muchos de los modelos de erosión de las rocas a menudo se basan en estudios experimentales en el agua estática.

Mischa Bonn y su equipo, indujeron diferentes niveles de acidez y alcalinidad en el agua fluyendo sobre fluoruro de calcio. Los iones de fluoruro con carga negativa tienen su preferencia para liberarse desde la superficie, mientras que los iones de calcio positivos permanecen en el sólido. La carga adquirida por la superficie depende de si tiene una carga positiva o negativa en el agua estática y de lo fuerte que es esta carga. Después de todo, ya hace bastante que los científicos saben que una superficie mineral adquiere una carga si se humedece con agua estática, debido a que algunos iones se disuelven mejor que otros. La carga depende de si el agua es ácida o alcalina. Cuando los investigadores comenzaron su experimento con el fluoruro de calcio en un agua ligeramente alcalina, en el cual la superficie tenía tan sólo una ligera carga negativa, fueron capaces de invertir la polaridad de la superficie a través de la corriente de agua.

El equipo estudió también el dióxido de silicio, el principal componente de las rocas y el cristal de cuarzo, bajo el efecto de la corriente de agua. Su superficie tiene una carga negativa tanto en agua neutra como alcalina. Sin embargo, cuando el agua se mueve, la carga negativa se reduce, los iones cargados negativamente se alejan del ácido silícico. En el agua neutra, la superficie repele la carga particularmente bien. Si el agua ácida fluye sobre el mineral, las moléculas de ácido silícico se liberan una vez más, pero no llevan ninguna carga. La carga de la superficie, por tanto, no varía.

Moléculas de agua alineadas indican una carga superficial

El estudio realizado por los investigadores en Mainz sólo ha sido posible gracias a que Mischa Bonn y su equipo tienen un medio probado para el estudio de la carga de superficie bajo el agua, de generación de frecuencias por espectroscopia. Esto permite a los investigadores enfocar dos pulsos de láser de diferentes colores en la interfaz entre el agua y el mineral. La superposición de rayos láser interactúan bastante bien con las moléculas de la superficie del agua si éstas están alineadas ahí con precisión y no simplemente girando frenéticamente alrededor una de otra, como normalmente ocurre en el agua líquida. Este es precisamente el caso de superficies cargadas, ya que las moléculas de agua tienen una carga negativa y una positiva final y siempre se alinean de acuerdo con el principio de atracción y repulsión de la carga más cercana. Si los pulsos de láser solapados se reúnen en la superficie en las moléculas alineadas, generan una señal característica. Cuantas más moléculas están alineadas en la superficie, más fuerte es la señal, y en consecuencia, más fuerte es la carga de la superficie.

"Nuestro método proporciona información sobre la alineación producida por la carga eléctrica", dice Mischa Bonn. "Por lo tanto podemos in situ determinar directamente la carga e interpretar lo que está sucediendo en la superficie". Esta es la carencia precisamente de otros experimentos, la carga no se podía medirse directamente en la superficie del mineral.

Ahora, sin embargo, él y su equipo han descubierto esta pista eléctrica que la corriente de agua deja casi en todas partes del mundo. Y dado a que tanto la corriente de agua como la superficie de un material adquieren una carga, cada río, al parecer, también tiene su corriente, en ambos sentidos de la palabra.
StI/PH

- Imagen: Corriente de un río: Si el agua -consistente en oxígeno, representada aquí por las bolas rojas, y el hidrógeno, representado por las bolas blancas-, se mueve sobre una superficie de un mineral, los iones (simbolizados por las bolas de color gris) son liberados desde la superficie. Tanto los iones como el agua adquieren una carga. Este descubrimiento podría afectar a nuestra comprensión de muchos procesos químicos, como la meteorización de las rocas. © MPI for Polymer Research.
- Fuente: Instituto Max Planck para Investigación de Polímeros, Mainz.
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