Study of the CO2 distribution and protonated derivatives in the aqueous molecular surface due to its acidity (Atena Editora)

Abstract

Nesta dissertação será abordada a distribuição de espécies de CO2, carbonato e bicarbonato, na superfície molecular aquosa para diferentes níveis de acidez do meio através da espectroscopia de fotoelétron (XPS) usando a técnica de microjato. Para a comparação com a distribuição destas espécies no corpo da solução um experimento de ressonância magnética nuclear (RNM) foi realizado nas mesmas amostras do experimento anterior. Estes são os primeiros resultados obtidos pelo Grupo de Nanossistemas Diluídos da Universidade Estadual de Campinas (GND - Unicamp) em conjunto com outros pesquisadores. Pela primeira vez foi realizado um estudo das moléculas de bicarbonato e carbonato, provenientes da reação de deprotonação do ácido carbônico na superfcie aquosa. Foram preparadas 5 amostras de carbonato de sódio a 0.5M em diferentes pHs que foram utilizadas para realizar o experimento de XPS. Nestes 5 espectros de C1s foi observado a presença das três moléculas na solução, sendo o deslocamento químico entre carbonato e bicarbonato suficiente para fazer uma identificação de cada pico no espectro. A análise dos espectros de XPS mostrou a variação da concentração das moléculas em função da acidez da solução. Foram observados diferenças significativas principalmente para pHs mais altos em relação aquelas encontradas para o interior do líquido. Os dados foram ajustados com o modelo de enriquecimento da superfície, proposto em um trabalho na literatura. A partir deste ajuste, foi constatado que a espécie duplamente deprotonada é menos propensa a se concentrar na superfície do que a espécie com deprotonação simples. Ambas tem sua concentração reduzida na superfície em relação ao interior da solução. Os dados também foram ajustados com um novo modelo proposto baseado no modelo de Langmuir. A partir deste ajuste é possível obter a energia livre de Gibbs na superfície que se comparou positivamente com o modelo de enriquecimento. Esta nova forma de tratamento dos dados pode ser aplicada a outras moléculas sendo portanto de interesse mais geral. Também foi realizado um estudo sobre a distribuição das mesmas espécies no corpo do líquido usando RMN, que uma técnica experimental sensível ao interior da solução. As amostras utilizadas são as mesmas do experimento de XPS sendo que cinco medidas de carbono 13 foram feitas a temperatura ambiente. Com base no deslocamento qumíco dos picos é possível obter a concentração das espécies em função da acidez do corpo da solução. A equação de Hendersen Hasselbalch que descreve o comportamento das reações de ácido e base para o corpo da solução foi escolhida para fazer o ajuste destes dados. Por fim, analisando as diferenças encontradas entre os resultados experimentais e seus respectivos ajustes dos dois experimentos foi constatado que as duas moléculas apresentam concentrações e dinâmicas diferentes na superfície e no interior. Com bases nos resultados obtidos foi discutido na tese que é possível prever que a adsorção de CO2 em soluções aquosas tende a ser maior do que aquela prevista por modelos baseados na concentração do interior da solução. Este fato trás consequências em relação à urgência de se acelerar ações para mitigar o aumento da presença de CO2 na atmosfera tendo em vista reduzir o aparecimento da chuva ácida e acidificação dos oceanos.