Científicos de la UAM determinan el mecanismo que lleva a la fragmentación de las moléculas de agua tras su ionización

La molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, por lo que se le asigna la conocida fórmula química H2O. Cuando una molécula de agua es bombardeada por partículas cargadas (iones), o por fotones de suficiente energía, pierde uno de sus electrones, formando una especie con carga positiva: el ion H2O+. Este es el proceso que se conoce como ionización.

Un equipo de la UAM ha estudiado el movimiento de los núcleos de hidrógeno y oxígeno del ion H2O+, mediante la resolución numérica de la ecuación que gobierna este movimiento (la ecuación de Schrödinger).

“Este trabajo computacional proporciona una película que muestra la evolución de los núcleos hasta que estos se separan y se rompe el ion”, explica Luis Méndez, del Departamento de Química de la UAM y coautor del trabajo.

Ionización del agua

La ionización de la molécula de agua ocurre habitualmente en diversos entornos. Por ejemplo, los cometas están constituidos mayoritariamente por agua, y la radiación o las partículas del viento solar pueden arrancar un electrón de dichas moléculas.

Por otra parte, la radiación produce daño en tejidos biológicos mediante múltiples reacciones. Es particularmente significativa la secuencia que comienza por la ionización del agua, que es el compuesto más abundante del citoplasma celular. Los electrones e iones producidos en la ionización conducen, en una segunda etapa, a la ruptura de otras biomoléculas como los ácidos nucleicos.

Esta secuencia de procesos tiene lugar en la terapia del cáncer, donde se busca matar de forma selectiva las células tumorales irradiando el tumor con rayos X o con haces de iones.

Los electrones en una molécula se distribuyen en niveles con diferentes energías. Si se arranca un electrón del nivel energético más alto de la molécula de agua, el ion H2O+ que se forma es estable. En cambio, si se comunica una energía algo mayor, se extrae un electrón de un nivel más profundo. En este caso el ion resultante se rompe produciendo fragmentos, entre los que se encuentran radicales como el OH, átomos de hidrógeno y sus iones positivos. Esta ruptura se observó hace más de treinta años, pero hasta ahora no se había explicado cómo ocurre.

Fragmentación del ion H2O+

En general, los movimientos de electrones y núcleos en una molécula se pueden considerar independientes, dado que los núcleos son miles de veces más pesados que los electrones y por ello se mueven mucho más lentamente. Sin embargo, el ion H2O+ se fragmenta mediante un mecanismo que requiere el acoplamiento entre los movimientos de núcleos y electrones.

El proceso de fragmentación implica inicialmente una reorganización ultrarrápida de los electrones que tiene lugar en unos pocos femtosegundos (milbillonésimas partes de segundo) a través de una intersección cónica.

Como consecuencia de esta reorganización, el ángulo de equilibrio H-O-H pasa a ser de 180°, situándose los tres núcleos sobre una línea recta, y se observa un movimiento de apertura y cierre de este ángulo (llamado flexión) en torno a la geometría lineal.

Simultáneamente, los núcleos de oxígeno e hidrógeno se separan. Los resultados numéricos muestran que el ion se rompe casi totalmente (más del 90%) y la fragmentación se completa en aproximadamente 10000 femtosegundos.

Un resultado especialmente importante del estudio son los porcentajes de fragmentos obtenidos de la simulación numérica, que coinciden con los experimentales: un 70% de los iones H2O+ se disocian en OH+ + H, mientras que un 22% se fragmenta en H+ + OH. Las proporciones de OH+ + H y H+ + OH vienen determinadas por la interacción entre los movimientos de los electrones y el movimiento de flexión de los núcleos que se denomina efecto Renner-Teller.

Referencia bibliográfica:

J. Suárez, L. Méndez and I. Rabadán. Nonadiabatic Quantum Dynamics Predissociation of H2O+(B? 2B2). J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6 (1), pp 72–76.