Os cientistas finalmente resolvem o mistério por trás de um experimento de química de 100 anos

Os cientistas podem finalmente compreender a misteriosa transição por trás de um experimento químico centenário. Os detalhes dessa transformação, em que a adição de elétrons a uma solução de amônia azul brilhante a transforma em um bronze metálico e brilhante, há muito tempo iludem os cientistas.

O novo estudo revela os detalhes sutis dessa mudança e mostra que essa transformação é gradual, ao invés de repentina. "O que fizemos com sucesso é que entendemos muito bem como essas soluções se comportam em uma ampla gama de concentrações usando uma técnica de microjet", disse o co-autor do estudo Ryan McMullen, estudante de doutorado em química na University of Southern California . Esta técnica, que envolve disparar fluxos finos de cabelo da solução através de um vácuo, não foi usada no líquido brilhante antes.

E a descoberta pode abrir novos tipos de reações em química orgânica no futuro, disse McMullen .

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O que é um metal?

Os metais são um grupo diversificado. Alguns, como o lítio, são leves o suficiente para flutuar, enquanto outros, como o chumbo ou o ósmio, são extremamente densos. Alguns requerem temperaturas incrivelmente altas para derreter, enquanto outros derretem facilmente (Mercúrio, por exemplo, derrete a menos 38,3 graus Celsius ou menos 37,9 graus Fahrenheit). Em última análise, o que os metais têm em comum é a capacidade de conduzir eletricidade no zero absoluto, o ponto em que o movimento molecular do calor essencialmente para.

Mas como alguns não metais se transformam em metais? Em um novo estudo, os pesquisadores responderam a essa pergunta adicionando metais à amônia líquida.

Primeiro, os pesquisadores condensaram a amônia, que é um gás em temperatura ambiente, em um líquido, resfriando-o a 27,4 F negativos (33 C negativos). Eles então adicionaram sódio, lítio ou potássio, que são todos metais alcalinos. (De maneira bastante conhecida, esses metais reagem explosivamente quando submersos na água.) Os experimentos foram feitos em colaboração com cientistas da Academia Tcheca de Ciências e do Instituto Fritz-Haber da Sociedade Max Planck em Berlim, bem como pesquisadores no Japão e na França.

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O resultado foi uma reação esperada: a amônia líquida extraiu elétrons do metal. Esses elétrons então ficaram presos entre as moléculas de amônia, criando os chamados elétrons solvatados que os pesquisadores esperavam estudar. Em baixas concentrações, o resultado foi um líquido azul não metálico. Conforme os elétrons solvatados, ou presos, se acumulavam, porém, a solução fazia a transição para o bronze brilhante.

O próximo desafio foi investigar como os elétrons solvatados se comportavam em diferentes concentrações. Isso envolveu o disparo de um microjet da solução - aproximadamente da largura de um cabelo humano - por meio de um feixe de raios X síncrotron, que são feixes de raios X de alta energia. Os raios X excitaram os elétrons solvatados, fazendo-os pular para fora de sua gaiola líquida de moléculas de amônia. Os pesquisadores puderam então medir quanta energia foi necessária para liberar os elétrons solvatados.

Os pesquisadores descobriram que quanto maior a concentração de elétrons solvatados, mais o padrão de liberação de energia correspondia ao que é visto em um metal. Aqui está o que isso significa: se você representar graficamente a quantidade de energia necessária para liberar elétrons de sua gaiola de amônia líquida, os metais normalmente têm o que é chamado de "borda de Fermi", uma transição muito abrupta, disse McMullen. Em concentrações mais baixas de elétrons solvatados, este gráfico de liberação de energia se parece mais com uma colina arredondada. Somente em concentrações mais altas de elétrons essa borda de Fermi emergiu. A borda reflete quanta energia os elétrons têm em uma determinada temperatura, acrescentou McMullen.

"Quando você aumenta a concentração para a faixa metálica, então você vê, esse padrão maravilhoso emerge que é muito, muito característico de um metal", disse McMullen.

Os resultados foram interessantes porque mostraram que o líquido semelhante a um metal criado pela combinação de metais alcalinos e amônia é na verdade um metal em um nível físico fundamental, disse ele..

“É um metal genuíno, não é algo que apenas se pareça com um”, disse McMullen.

Elétrons solvatados de baixa concentração são usados ​​em um tipo de reação chamada reação de Birch, que adiciona elétrons a estruturas moleculares chamadas anéis aromáticos. Esse tipo de reação foi usado na fabricação das primeiras pílulas anticoncepcionais orais na década de 1950, disse McMullen. Ao compreender como os elétrons solvatados funcionam em altas concentrações, os pesquisadores podem potencialmente encontrar novos tipos de reações químicas, disse ele. Por exemplo, eles podem excitar os elétrons solvatados com feixes de luz para fazer com que se comportem de novas maneiras.

"Se você fizer cócegas nos elétrons para que eles fiquem mais energeticamente excitados, você pode começar a observar algumas reações malucas que nunca aconteceriam de outra forma", disse McMullen.

Os pesquisadores relataram suas descobertas em 5 de junho na revista Science.