Determinación de la energía libre interfacial hidrato de dióxido carbono – agua mediante simulación molecular

Fecha: Jueves 3 de noviembre de 2022.
Hora: 12:00 a 13:00.
Lugar: Aula A15 de la Facultad de Ciencias.

Ponente: Prof. Felipe J. Blas (Universidad de Huelva).

Organiza: Grupo de Física de Fluidos y Biocoloides de la UGR.

Los clatratos hidratos de dióxido de carbono (CO2) son compuestos de inclusión no estequiométricos de enorme importancia desde la perspectiva del cambio climático, transporte y almacenamiento de este gas de efecto invernadero [1,2]. Desde un punto de vista teórico, los mecanismos cinéticos y termodinámicos que controlan la nucleación de hidratos de CO2 dependen críticamente de la energía libre interfacial hidrato – agua [1,3]. A diferencia de lo que ocurre con la tensión interfacial fluido-fluido, no existe un procedimiento estándar desde el punto de vista experimental para determinar energías libres interfaciales sólido-fluido [4,5]. De hecho, únicamente existen en la literatura dos medidas independientes de esta magnitud para el caso de la interfase hidrato de CO2 – agua [6,7]. En estas circunstancias, el uso de técnicas de simulación molecular puede proporcionar información relevante de estos sistemas. En este trabajo se utiliza una combinación de modelos moleculares sencillos pero realistas, el modelo TIP4P/ice (agua) [8] y el modelo TraPPE (CO2) [9], así como una extensión de la metodología Mold Integration [10] para determinar la energía libre del hidrato mediante simulación de dinámica molecular. La técnica, que se basa en el uso de principios fundamentales de la Termodinámica y la Mecánica Estadística y en la definición termodinámica de la energía interfacial, ha demostrado que es capaz de predecir con precisión energías interfaciales hielo – agua [11]. En este trabajo se encuentra que la extensión propuesta permite obtener valores consistentes de la energía libre interfacial del hidrato de CO2 con resultados experimentales disponibles en la literatura [12,13]. Los resultados obtenidos indican que esta metodología abre un nuevo camino para la determinación de energías libres interfaciales de fases sólidas complejas en condiciones de coexistencia mediante principios fundamentales.

REFERENCIAS
[1] E. D. Sloan and C. Koh, Clathrate Hydrates of Natural Gases, 3rd Edition, CRC Press, New York (2008).
[2] J. M. Míguez, M. M. Conde, J.-P. Torré, F. J. Blas, M. M. Piñeiro y C. Vega, J. Chem. Phys. 142, 124505 (2005).
[3] Z. M. Aman and C. A. Koh, Chem. Soc. Rev. 45, 1678 (2016).
[4] A.W. Adamson y A. P. Gast, Physical Chemistry of Surfaces, John Wiley and Sons Inc (1997).
[5] M. Evans, 15 measurement of surface and interfacial tension, en: Experimental Thermodynamics, Vol. 7, págs. 383–407, Elsevier (2005).
[6] T. Uchida, T. Ebinuma, S. Takeya, J. Nagao y H. Narita, J. Phys. Chem. B 106, 802 (2002).
[7] R. Anderson, M. Llamedo, B. Tohihi y R. W. Burgass, J. Phys. Chem. B 107, 3507 (2003).
[8] J. L. F. Abascal, E. Sanz, R. G. Fernández y C. Vega, J. Chem. Phys. 122, 234511 (2005).
[9] J. J. Potoff y J. I. Siepmann, AIChE Journal 47, 1676 (2001).
[10] J. R. Espinosa, C. Vega y E. Sanz, J. Chem. Phys. 141, 134709 (2014).
[11] J. R. Espinosa, C. Vega y E. Sanz, J. Phys. Chem. C 120, 8068 (2016).
[12] J. Algaba, E. Acuña, J. M. Míguez, B. Mendiboure, I. M. Zerón y F. J. Blas, J. Colloid Interface Sci. 623, 354 (2022).
[13] I. M. Zerón, J. M. Míguez, B. Mendiboure, J. Algaba y F. J. Blas, J. Chem. Phys. (2022), https://doi.org/10.1063/5.0101746.