Electrón húmedo

En química y física, un electrón húmedo es un electrón en un medio (como el agua ) que ha sido excitado a un estado localizado pero no asociado a un átomo o molécula en particular . Este tipo de estado se suele denominar "cuasi- libre ". Los electrones húmedos se solvatan en medios vítreos y líquidos de forma similar a un ion, dando lugar a un electrón solvatado . Esto es posible dado que la escala temporal de su existencia en agua a temperatura ambiente (y otros líquidos con enlaces de hidrógeno ) es comparable o mayor que la de las reorganizaciones de la red de enlaces de hidrógeno, que oscila entre femtosegundos y picosegundos en los medios estudiados. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Los átomos de hidrógeno de las moléculas de agua pueden participar en la red de enlaces de hidrógeno o permanecer libres . Estos últimos son los que estabilizan (transitoriamente) el estado electrónico húmedo. En diversos líquidos y vidrios, especialmente en aquellos con enlaces de hidrógeno, los electrones húmedos desarrollan capas de solvatación con estructuras geométricas bien definidas. La elucidación de estas estructuras fue una de las primeras aplicaciones de la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (RPE) .

Técnicas experimentales avanzadas como la radiólisis de pulsos y la espectroscopia resuelta en el tiempo han sido fundamentales para detectar y estudiar el comportamiento de los electrones húmedos. Estos métodos permiten a los científicos generar electrones húmedos, observar sus características de absorción transitorias y monitorizar su comportamiento en tiempo real. Los estudios teóricos, en particular los que utilizan simulaciones de dinámica molecular funcional híbrida , proporcionan una comprensión más profunda de la dinámica y la energética de los electrones húmedos. Estos estudios han demostrado que la extensión espacial del electrón húmedo fluctúa rápidamente mientras las moléculas circundantes se reorganizan para solvatarlo. ^{[ 3 ]}

El término "electrón húmedo" se utiliza de forma variable en la literatura para describir: el estado de transición de un electrón entre los estados cuasi-libre y solvatado; cualquier electrón que no esté unido a un átomo o molécula en particular en un medio no cristalino; un electrón solvatado; o algo intermedio.

Los electrones húmedos se producen cuando la radiación de alta energía, como los rayos gamma, los rayos X o las partículas energéticas, ioniza las moléculas de agua. Esta ionización libera electrones que, en lugar de permanecer libres, pueden localizarse transitoriamente debido a la polarización inducida de las moléculas de agua circundantes. Durante el proceso de solvatación, el electrón oscila rápidamente entre estados localizados (~1-10 Å) y deslocalizados (~40 Å) mientras interrumpe la red de enlaces de hidrógeno para formar una capa de coordinación de moléculas de disolvente. ^{[ 4 ]}

Los electrones húmedos se caracterizan por su estado energético intermedio, que se encuentra por encima de la energía del estado fundamental del agua, pero por debajo del nivel energético de un electrón libre. Este estado es altamente reactivo debido a su exceso de energía, lo que convierte a los electrones húmedos en potentes agentes reductores capaces de participar en diversas reacciones químicas. Los estados de electrón húmedo y electrón hidratado tienen tiempos de vida que oscilan entre cientos de femtosegundos y picosegundos, siendo este último generalmente más prolongado, dependiendo de las condiciones ambientales específicas y la presencia de otras especies reactivas.

La energía asociada al estado localizado de los electrones en agua suele estar unas décimas de eV por debajo del mínimo de la banda de conducción. Este estado energético refleja la compleja interacción entre el electrón y el entorno polar del agua. Las investigaciones teóricas indican que la localización de un electrón en agua implica una distorsión significativa de la red local de enlaces de hidrógeno, lo que a menudo resulta en la formación de una cavidad transitoria dentro de la estructura del líquido. Esta cavidad se forma por la reorganización de las moléculas de agua alrededor del electrón atrapado, influenciada por su naturaleza dipolar.

Durante el proceso de solvatación, el electrón "húmedo" oscila rápidamente entre un estado grande, casi libre, y un estado localizado. Durante esta fase, que dura alrededor de 220 fs en agua pura, el electrón "cava" una capa de solvatación que posteriormente lo alberga, momento en el que se le denomina electrón "hidratado" o "solvatado ". ^{[ 3 ]}

En el caso de algunos materiales como el dióxido de titanio , los electrones húmedos también pueden excitarse a través de la interfaz del material con el agua. Esta es generalmente la vía de menor energía para la transferencia de carga a través de la interfaz. También requiere menos energía que la excitación desde un estado ligado de una molécula de agua. Cuando se generan cerca de la interfaz del dióxido de titanio y el agua, los electrones húmedos son atraídos por la superficie de óxido protonada con carga positiva. Estos electrones, a su vez, afectan la interacción de otros materiales con el óxido. ^{[ 5 ]}