Quimica moderna

1. LA QUÍMICA MODERNA Y
EL MEDIO AMBIENTE
Roberto Fernández Prini
INQUIMAE-DQIAQF, FCEN-UBA y CONICET.
Gerencia de Química, CNEA.

2. Esta charla presenta una visión
global y general de la potencialidad
de la Química para una sociedad de
desarrollo sustentable y, por lo
tanto, muy conciente de su efecto
sobre el Medio Ambiente.

3. En el planeta TIERRA viven 7000 millones de
seres humanos (UN 31-10-2010). Se trata de
mejorar la calidad de vida para que resulte
aceptable para todos.
A veces se ha pensado que la ciencia y la técnica
(incluyendo en forma destacada a la Química)
generan problemas para la humanidad.

4. Ahora imaginemos que
eliminamos todos los procesos de
transformación química,
PERO difícilmente se
podrían abastecer en
forma sostenible las
necesidades de casi 7000
millones de seres
humanos
entonces tendríamos
una sociedad
integrada por estos
idílicos habitantes.

5. Poco a poco, se tomó conciencia de que la
química ha contribuido decididamente al progreso
de la sociedad humana: materiales, alimentos,
medicinas.
En la Química se ha producido un cambio de
actitud a partir de 1990 en buena medida porque
los químicos revisaron detalladamente la manera
cómo realizaban su trabajo.
Y fueron de los primeros profesionales en hacerlo.

6. a la química en conjunto armónico con
el medio ambiente
Se tuvo en cuenta
**que la sociedad moderna se preocupa más y más por el medio
ambiente, que es donde transcurre su existencia (la biosfera).
**que el número de sustancias producidas por síntesis
química y los intermediarios que se generan ha inquietado a
la sociedad por el efecto deletéreo que puedieran tener.
ASÍ SE CONCLUYÓ QUE debía considerarse:
LA RAZÓN DEL CAMBIO

7. LA RESPUESTA FUE:
una química sostenible, es decir una química que
tiene muy en cuenta el impacto de su actividad sobre
el medio ambiente.
LA QUÍMICA VERDE
----
GREEN CHEMISTRY
Los procesos deben diseñarse para que
sean ambientalmente amigables; eso es
mejor que afectar el ambiente y luego
buscar de remediar el daño

8. UN CASO
La química tradicional basaba el éxito de una
reacción de síntesis en la cantidad de sustancia
que era transformada en el producto deseado.
En este proceso se utilizan altas presiones y un
reactivo carcinogénico
benceno ácido adípico (NYLON)
TRADICIONALMENTE no se tenían en cuenta
las otras sustancias empleadas, ni a los
subproductos inútiles que se producían.
ADEMÁS

9. cis-cis ácido mucónico
ácido adípico
D-glucosa
3-dehidroshikimato
Biosíntesis del ácido adípico, más acorde con
los principios de la química sostenible
El solvente
es H
2
O, pero
no se
generan
sustancias
tóxicas
¡ ¡ catalizador ! !

10. Algunos principios estratégicos de la
química sostenible
**No generar desechos, en lugar de generarlos y luego tratar de
remediar el daño que puedan producir.

**Minimizar el uso de sustancias y procesos intrínsecamente
peligrosos (toxicidad, explosión, etc.)
**Economía de átomos: Contabiliza cuántos átomos del total presente en los Contabiliza cuántos átomos del total presente en los
reactivos se encuentran en la sustancia sintetizada.reactivos se encuentran en la sustancia sintetizada..
**Evitar el uso de sustancias no esenciales (solventes, etc.).
**Requerimientos de energía e insumos mínimos y renovables
**Usar preferentemente métodos catalíticos.
**Las sustancias a sintetizar deben diseñarse para que una vez
utilizadas se degraden ambientalmente

11. ReactivosProductos Desechos
TRADICIONAL
VERDE (BHC)
514,5 g
266 g
206 g
206 g
308,5 g
60 g
Ibuprofeno, analgésico
Economía de átomos: Mismo reactivo, tres etapas
y producto más barato.
http://www.rsc.org/education/teachers/Resources/green/ibuprofen/ibuprofen.pdf

12. Muchas veces se ha intentado resolver problemas
de contaminación del medio ambiente utilizando
sustancias o procesos alternativos,
Sin embargo se pueden producir
consecuencias inesperadas.

13. solución
problema
consecuencias
Resolver un problema en forma aislada es peligroso
Por esto resulta necesarianecesaria
la existencia de una
comunidad científica local
de excelencia

14. El Destino (tal es el nombre que
damos a la infinita operación
incesante de millones de causas
entreveradas)...
J. L. Borges, Historia Universal de la
Infamia
Una breve digresión que viene a cuento:

15. 2.- Tetraetil plomo
vs
metil terbutil éter
3.- BIOCOMBUSTIBLES: su
efecto sobre valor productos
alimenticios –alternativas.
1.- DDT
(EJEMPLO: Biología
sintética para producir
artemisinina)
Se trata de evaluar riesgos contra beneficios

16. De la certeza salen los errores, los
errores producen certeza
(La Balsa de Piedra, José Saramago)
Estas situaciones muestran cómo
avanza el conocimiento y, por lo
tanto, la ciencia.

17. ASÍ la Química aparece como la
ciencia de la comunicación, el
reconocimiento y el comportamiento

A NIVEL MOLECULAR
La química actual no solo está dedicada a la
síntesis de nuevas sustancias, sino que también
se reconoce la importancia de controlar las
interacciones entre las moléculas.

18. CO
2
HCOOH
CH
3
OH
comunicación
reconocimiento
comportamiento

19. diamante
grafito
Fulereno
Nanotubo pared
simple
El elemento CARBONO y sus múltiples formas de
presentarse
Estructuras frecuentes en la
naturaleza
Estructuras preparadas en laboratorio,
que existen en la naturaleza en pequeñas cantidades

20. 21
st
Century technologies will be rooted
in the ability to direct and control
matter down to the molecular, atomic,
and quantum levels.
R.L. Orbach, DoE 2008

21. Nuestro mundo es muy complejo, y hoy para
resolver los grandes problemas del desarrollo
debe hacerse uso creciente del
PRINCIPIO PRECAUTORIO
**Anticipar el impacto sobre salud, seguridad y
ambiente de la actividad y tomar las debidas
precauciones de protección , sin dejar de alentar el
progreso para beneficio de la sociedad y el ambiente.
**La incertidumbre científica no debe usarse como
argumento para posponer medidas importantes que sean
cost-effective y eviten el deterioro ambiental.
**Entre las recomendaciones del Principio Precautorio
está la reducción de las brechas existentes en el
conocimiento científico.

22. ¿Por qué es necesario contar con
otros solventes? (Solventes
benignos)
•La mayoría de los procesos químicos
ocurren en solucìón.
•A pesar de la recuperación de solventes, la
emisión de estas sustancias al medio
ambiente es muy importante.
¿H
2O?
Un ejemplo: se plantea la necesidad de
reemplazar los solventes tradicionales

23. LA MAGNITUD DEL PROBLEMA
** En EE. UU. 20 milliones de toneladas de COV’s
se descargan anualmente a la atmósfera.
** Dos tercios de todas las emisiones industriales y
un tercio de todos los COV’s son solventes.
1
Allen and Shonnard, 2002.
Estos números siguieron casi inalterados hasta
2006

24. La alternativa de los solventes
benignos
•Líquidos iónicos: sustancias iónicas de bajo
punto de fusión y baja presión de vapor.
•Fluidos Supercrítios (FSC): Por encima de la
temperature crítica del solvente no hay
diferencias entre vapor y líquido (una sola
fase).

25. También para las reacciones de la
química verde
catalizador producto solvente
Ryoji Noyori, Premio Nobel de Química en 2001

26. Log of the enhancement factor for KI in H
2
O and in NH
3
Log del factor de incremento para KI en H
2
O y en NH
3

27. Efluente descargado
por una planta de
teñido de blue jeans.

28. Captura de CO
2
: Este es un tema importante
en el que se advierte una gran actividad y
donde la Química resulta central aunque
participan otras disciplinas.
Tres alternativas importantes que están en vías
de estudio son:
--Uso de etanolaminas para disolver CO
2
.
--Enjaulado de CO
2
en sólidos porosos. Una
nueva versión utiliza esqueletos de zeolita-
imidazolatos (1 L retiene 30 L CO
2
)
--Atrapamiento del gas en pozos donde se ha
extraído gas o petróleo, o en fallas geológicas
(puede competir negativamente con la técnica
de rock fracturing ahora en crecientemente
utilizada para obtener petróleo).

29. S. Abanades et al. [Energy, 31, 2805 (2006)]
Se analizaron 280 ciclos termoquímicos que produjeran H
2
.
Sobre la base de los siguientes criterios:
** la temperatura necesaria operar un proceso,
** complejidad de los ciclos,
** evitar el uso de reactivos escasos (en la corteza terrestre) o
muy corrosivos,
** razones ambientales.
Se seleccionaron 30 ciclos termoquímicos
como posibles opciones para generar H
2
,
todos usan energía solar para alcanzar la
temperatura necesaria.
1º Los ciclos termoquímicos

30. ZnO ® Zn + (1/2) O
2
; Zn + H
2
O ® ZnO + H
2

(2000 ºC) (1000 ºC)
CoSO
4
® CoO + SO
2
+(1/2) O
2
;

CoO + H
2
O + SO
2
® CoSO
4
+ H
2

(1100 ºC) (200 ºC)
3FeCl
2
+ 4H
2
O ® Fe
3
O
4
+ 6HCl + H
2
; (680 ºC)
Fe
3
O
4
+ (3/2) Cl
2
+ 6HCl ® 3FeCl
3
+ 3H
2
O + (1/2)O
2
; (900 ºC)
3FeCl
3
® 3FeCl
2
+ (3/2)Cl
2
; (420 ºC)

Veamos tres reacciones que cumplen con los
criterios de selección:

31. Planta piloto en Almería (España).
Produce el equivalente de 100 kW y ahora
se instala un planta de 1 MW.
2º La energía solar y la química
en acción

32. El ciclo utiliza ferritas de zinc y níquel deficientes en
oxígeno. Los reactores son calentados por un sistema de
espejos que siguen el recorrido del sol:
Zn
0.x
Ni
(1-0.x)
Fe
2
O
4
+ y H
2
O ⇄ Zn
0.x
Ni
(1-0.x)
Fe
2
O
4+y
+ y H
2



producción de hidrógeno (800 – 1200 ºC)
Reciclado que produce oxígeno (1000 – 1200 ºC)
O
2
y H
2
se producen en cámaras separadas
Se estima hoy un costo de € 0,06/kWh, lo que es
competitivo con el costo de generar hidrógeno por
reformado de combustibles fósiles o derivados, si se
agrega el impuesto por generación de CO
2
.

33. También se utilizan con éxito
líquidos iónicos para disolver el
sensibilizador que luego se
deposita sobre TiO
2
[Grätzel y
colaboradores, JACS (2006)]
B(CN)
4
etil,metil
imidazol
2+El complejo Ru(bpy)
fotosensibilizador sobre TiO
2

(celda de Grätzel):
verde Ru, azul N,

34. Cable molecular
(clusters de Fe
4
S
4
)
adherido con un
ditiol
Fotosistema I (natural),
fuente electrones muy
reductores
Catalizador,
nanopartículas
de Au o
Pt
Grimme, et al.,
JACS, 130, 6308
(2008)
SISTEMA HÍBRIDO
Facilita un camino
rápido y eficiente
para transferir
electrones

35.  Representación de los pasos de reacción en el proceso
de fabricación de gas de síntesis (steam-reforming)
  catalizador
H
2
O(g) + CH
4
(g) CO(g) + 3H
2
(g)

C.T. Campbell & coworkers, JACS, 131, 8077 (2009).

36. Cambio relativo en la velocidad neta de reacción cuando se
estabiliza o desestabiliza un intermediario en la reacción.
TS
inm
GG
n
n
RT
G
r
X
,
,
ln
,
qq
q
¹
÷
÷
÷
÷
÷
ø
ö
ç
ç
ç
ç
ç
è
æ
ú
û
ù
ê
ë
é-
¶
¶
=
TRC

37. Cemento y concreto elaborado con escorias y cenizas
de altos hornos.
+
En medio alcalino se polimerizan formando
geopolímeros de cadena larga, se agregan arena,
rocas y refuerzos de acero, a los que se adhiere
fuertemente.
Reduce en un 80 % el CO
2
producido en la fabricación
de Portland. Por ahora para construcciones de poco
riesgo (principio precautorio)
Geocemento [E-Crete, Zeobond]

38. Los químicos (R. Bashir) han desarrollado un método
para pesar células individuales y determinar su masa
durante el crecimiento.
Utilizan voladizos (cantilevers) de Si derivatizado y
mediante campo eléctrico pueden adherir las células a
los voladizos.
Sensores

39. Laboratorio en oblea o Lab-on–a-chip
Olivieri y Rivas, Ciencia Hoy 2011

40. QUÍMICA BIOMIMÉTICA
No hay químico más inventivo que la naturaleza

41. Efecto de surfactantes en la limpieza de superficies
J. Silber y S. Aldabe, Ciencia Hoy 2011
También recubrimientos autolimpiantes por efecto de
la luz visible y/o UV sobre sus componentes.

42. 20 mm
Micrografía de la superficie de una hoja de
loto
20 mm

43. Superficie hidrofóbica Superficie hiperhidrofóbica

44. Micropartículas unidas covalentemente al metal +
nanopartículas adecuadas [foto Hoppe y Wiliams (CHoy),
trabajo realizado en Tenaris]
Ángulo de contacto
ca. 150 º

45. 2011 Año
Internacional de
la Química
2011 Internatioanl
Year of Chemistry
CIENCIA HOY Octubre 2011

46. MUCHAS GRACIAS