Detectan colisiones anómalas en una conocida reacción química

Científicos de la Universidad Complutense de Madrid y otros centros internacionales han desentrañado los mecanismos de colisión entre el hidrógeno (H) y el deuterio (D, un isótopo del hidrógeno con prácticamente el doble de su masa). En concreto, el intercambio isotópico H+D₂ para dar HD+D, donde se producen colisiones ‘anómalas’.

Esta reacción ha jugado un papel fundamental en el estudio de la dinámica de reacciones químicas y, a pesar de su aparente simplicidad, es un paradigma y banco de pruebas para los químicos. Ahora, los investigadores han observado en qué direcciones del espacio salen despedidos los productos (HD y D) y en qué ‘estado cuántico rotacional’ lo hacen. De esta forma han podido analizar el mecanismo de reacción.

Los experimentos se realizaron en la Universidad de Stanford (utilizando haces moleculares y un sistema de láseres) a una energía de colisión de 1,97 eV (equivalente a la energía media térmica en colisiones a 15.000 K), con la que se producía HD en estados ‘vibracionalmente muy excitados’.

Cuando se medía cómo salían dispersadas las moléculas de HD en estos estados se observó algo sorprendente que violaba la regla: cuanto mayor era la excitación rotacional mayor era el ángulo de dispersión (más ‘hacia atrás’ se iban).

Lo habitual es que, como ocurre con las bolas de billar, las colisiones frontales den lugar a productos que emergen en la dirección opuesta a la incidente, mientras que las de ‘refilón’ los envíen más o menos perpendiculares a la incidente.

Para desentrañar el misterio, y comprobar el origen de este efecto, se llevaron a cabo cálculos cuánticos rigurosos en una superficie de potencial muy precisa para simular los experimentos, siendo ambos resultados coincidentes.

Con el fin de determinar si este efecto tenía un origen puramente cuántico, se llevaron a cabo, además, cálculos más ‘clásicos’ en los que el movimiento de los núcleos se considera que sigue el comportamiento de la mecánica newtoniana. Aunque de manera aproximada, estos cálculos tenían el mismo patrón que los resultados cuánticos exactos, descartando, por tanto, efectos puramente cuánticos.

La razón que se propone para explicar la discrepancia es, según los investigadores, la siguiente: “Para producir HD vibracionalmente excitado se requiere sobrepasar una barrera centrífuga a lo largo del camino de reacción, por lo que sólo aquellas colisiones que se producen con bajos parámetros de impacto son efectivas para dar lugar a la reacción”.

Al aumentar la energía rotacional de los productos, las moléculas de HD formadas salen con una energía de traslación ínfima (toda la energía es interna), y la barrera centrífuga se hace mayor haciendo que sólo parámetros de impacto muy bajos den lugar a la reacción.

Pero parámetros de impacto bajos dan lugar a colisiones frontales en las que los productos salen dispersados en la dirección opuesta a la incidente. Así, al aumentar la excitación rotacional de los productos las moléculas de HD salen cada vez más en la dirección opuesta a la del átomo H incidente.