"Viaje a un futuro que ya vivimos": activación de moléculas pequeñas

"Viaje a un futuro que ya vivimos": activación de moléculas pequeñas.

Por Brayan Solano Cedeño*

El grandioso inventor y científico Nikola Tesla dijo una vez: “a lo largo del espacio hay energía, y es una mera cuestión de tiempo hasta que los hombres tengan éxito en sus mecanismos vinculados al aprovechamiento de esa energía”. 

Es necesaria e incesante en la ciencia (especialmente en la química), la búsqueda de fuentes energéticas alternativas, y en este sentido, la activación de una molécula pequeña como el agua permitiría el acceso a lo que hoy se denomina el combustible del futuro: el hidrógeno. 

La Organización de las Naciones Unidas (ONU) estima para el 2050 una población cercana a los 10 mil millones de personas. Para el 2010 el consumo energético mundial alcanzó una potencia total de 104,426 TWh (lo cual es aproximadamente unas 317 mil millones de veces lo que se consume mensualmente en una casa promedio en Costa Rica).

El consumo de los combustibles fósiles ha acarreado consecuencias ambientales de gran impacto, siendo las principales las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero que conllevan al calentamiento global y la acidificación de los grandes cuerpos acuosos (mares y océanos). Esto convierte en una prioridad a corto, mediano y largo plazo la implementación de nuevas tecnologías para satisfacer la demanda energética, también creciente. 

Esto es posible con el uso de la química y del ingenio, por supuesto, utilizando como piedra angular la estrategia de la activación de enlaces químicos en moléculas pequeñas, como el agua. Pero ¿qué es una molécula pequeña y qué es el proceso de activación?

Se conoce como una molécula pequeña a aquella que posee un bajo peso molecular (poca masa por cantidad de sustancia) y, generalmente, un solo tipo de enlace (oxígeno-hidrógeno, carbono-oxígeno, nitrógeno-hidrógeno, etc.). Son ejemplos típicos el amoníaco (NH3), el agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2), el metano (CH4), el monóxido de carbono (CO) y el disulfuro de carbono (CS2), todos con una importancia trascendental en las industrias de polímeros (plásticos y derivados) y energía. 

La activación por su parte, consiste en un proceso químico que implica la ruptura parcial o total del enlace entre dos átomos en dicha molécula, por ejemplo el enlace C=O en el CO2 o el enlace O-H en el agua, mediante el diseño de un compuesto o material químico capaz de alcanzar, promover o facilitar dicha escisión. 

La generación de hidrógeno a partir del agua se ha dado tradicionalmente mediante un proceso electrolítico (utilizando una fuente de corriente), que genera hidrógeno y oxígeno gaseosos. La generación desde una matriz o un compuesto químico catalítico que permita facilitar ese mismo proceso mediante la acción de la luz solar, es en este momento un punto fuerte de investigación en el campo de la química inorgánica de coordinación, la química de materiales y la química organometálica. 

Los estudios en química sobre el tema se han basado en los últimos 35 años principalmente en la utilización de compuestos con metales como rutenio, platino, cobalto e iridio, conocidos como complejos y que poseen ciertas propiedades químicas deseadas ante la presencia o ausencia de luz, actuando como un “puente” o medio para la generación del hidrógeno en un medio acuoso o no-acuoso. Estos “complejos” se componen de dos partes: la primera, un centro metálico (átomo o ión de un elemento metálico); y la otra, los ligandos, que son en este caso compuestos orgánicos (con muchos átomos, incluyendo carbono), que brindan ciertas propiedades adicionales a las que tendría el centro metálico por sí sólo, formando así un nuevo compuesto totalmente diferente. Dentro de esta misma familia de complejos también se ha estudiado los que poseen centros metálicos de hierro y níquel, y que vienen a mimetizar estructuras de enzimas ya descubiertas en organismos como plantas, algas y bacterias (conocidas como hidrogenasas).

Los esfuerzos también se han dirigido a la síntesis de materiales de titanio, aluminio o metales de transición en compañía de ligandos (conocidos como redes metalorgánicas), que pueden generar la activación del enlace O-H en el agua en presencia o ausencia de luz solar. 

En la Universidad de Costa Rica, dichos procesos de activación han sido estudiados en el Laboratorio de Investigaciones en Química Inorgánica, a cargo de la Dra. Grettel Valle Bourrouet, y se han centrado en la utilización de materiales formados a partir de desechos de la industria del aluminio y nanopartículas de metales como níquel y cobalto como catalizadores, para la generación de hidrógeno desde moléculas como el etanol o la glicerina mediante un proceso conocido como reformado. Recientemente, la Dra. Valle ha iniciado una investigación sobre nuevos catalizadores metálicos para la activación del agua mediante procesos fotocatalíticos. En el Centro de Investigación en Electroquímica y Energía Química de la UCR (CELEQ) la Dra. Mavis Montero, el Dr. Leslie Pineda y el Dr. Esteban Durán han estudiado precisamente el uso de materiales de dióxido de titanio modificados para la activación del enlace O-H de la molécula de agua en presencia de luz.

En la actualidad la investigación química no se centra solamente en la activación del agua para generar el hidrógeno, sino en procesos tan importantes como la activación-fijación del CO2 atmosférico para utilizarlo como fuente de carbono (conocidos como C1) en la generación de combustibles livianos como metanol. Además, se estudia la activación del enlace nitrógeno-oxígeno en los óxidos de nitrógeno generados en los escapes de los automóviles, el enlace carbono-hidrógeno en el metano para la producción de combustibles líquidos y de materias primas como metanol y ácido acético.

Visto todo esto, imagine Usted ese futuro así como lo observó Tesla, en el que un automóvil, una casa, o una ciudad completa fuesen alimentadas con fuentes energéticas como el hidrógeno. Sin carbono, sin emisiones de CO2. Y ahora aprecie que ya a su alrededor ese futuro se manifiesta, mediante el trabajo de científicos en todo el mundo investigando sobre la activación de moléculas pequeñas como el agua.

Figura 1. Diagrama sencillo de la reacción de activación del agua mediante complejos metálicos.

*El autor es estudiante de química en la Universidad de Costa Rica. 

Medio ambiente & Química: hablemos de Quimica ambiental y Química sostenible (parte I)

Saludos a todos, soy Anthony Ramírez y seré un colaborador más en este Blog. Yo les hablaré de temas que relacionan la Química y el Medio ambiente. En mis primeras entradas comenzaré por explicarles un poco de ese campo, también les salpicaré con noticias de interés en el campo de la problematica ambiental y solución de problemas de ese tipo, siempre vistos desde un lente químico.

En la actualidad ha surgido un gran interés por el medio ambiente (en hora buena porque el planeta lo necesitaba) y esto ha llevado a que como sociedad empecemos a cambiar muchos de nuestros hábitos y formas de ver el mundo. Parte de este cambio ha involucrado la química, en especial desde que empezamos a satanizarla como uno de los grandes contribuyentes a la contaminación (sólo escuchen como muchas personas se refiere despectivamente hacia los productos químicos que de cierta forma hacen su vida más fácil).

Es entonces que surgen dos ramas más en este inmenso árbol de conocimientos: la química ambiental y la química sostenible; como herramientas para ayudar al hombre a proteger el medio ambiente.

La QUÍMICA AMBIENTAL se define como la parte de la química que estudia los problemas ambientales y la conservación del ambiente. Esto incluye el estudio de los procesos químicos que suceden en cada parte de la biosfera (suelo, agua, aire, seres vivos), el impacto de las actividades humanas y formas de mitigar o solventar ese impacto en el ambiente.

Por otro lado la QUÍMICA SOSTENIBLE (conocida también como química verde)  es una filosofía química enfocada en los procesos químicos y cuyo objetivo es la reducción o eliminación de intermediarios (sustancias obtenidas en un proceso que son material de partida para obtener el producto principal), productos secundarios (sustancias obtenidas en un proceso, de valor o utilidad menor) y residuos (sustancias no aprovechables) en las reacciones involucradas en un proceso.

En mi siguiente entrada profundizaré un poco más en los principios/campos de aplicación de cada una de estas ramas de la química.

¿Qué significa "El electrón metaestable"?

¿Qué significa "El electrón metaestable"?

Nota: no, los electrones no son tristes por naturaleza.

El presente Blog es una posibilidad que surgió en un momento de "iluminación" como una manera sencilla de divulgar la ciencia a nivel local. Pero el objetivo de esta entrada no es explicar qué significa el Blog en sí, sino su título, ya que he recibido varias preguntas sobre qué es. Analicémoslo por partes. La mayoría sabemos que es un electrón. En el colegio lo vimos como una pequeña partícula, la parte "externa" del constituyente básico de la materia: el átomo. Como recordarán, se especulaba de la existencia de ese ente pequeño, invisible, desde el tiempo de Demócrito (filósofo griego). Sin embargo fue con los aportes de Joseph J. Thomson, Eugen Goldstein y Ernest Rutherford que se descubrió que éste estaba compuesto por otras partículas más pequeñas, los protones (cargados positivamente) y los electrones (cargados negativamente). Posteriormente vendría el descubrimiento del neutrón en 1932, por James Chadwick. El electrón, a diferencia del protón y el neutrón es indivisible, no se ha encontrado que esté compuesto por otras partículas más pequeñas, conocidas como quarks y que se clasifican curiosamente por colores y direcciones (arriba y abajo). Ahora, ¿qué es algo "metaestable"? Resulta, que en la naturaleza hay una tendencia a equilibrios en condiciones, generalmente, de baja energía. Es decir, se busca que la mayor cantidad de materia tenga en total, una energía promedio baja. Tal es el caso de una persona que toma una caja de cartón y se tira por una colina con una inclinación considerable y resbala a toda velocidad hasta el final donde frena. En ese caso, la energía potencial gravitatoria (propia del efecto de la gravedad en nuestro planeta) en la cima de la montaña es alta y conforme baja, se va convirtiendo en energía de movimiento, o cinética, lo que impulsa la caja.Imagine por un momento que la montaña es irregular, y posee, en medio de dicha ladera una zona donde baja y sube por un instante nuevamente, para luego llegar de nuevo hasta el final, colina abajo. Algo así como un "hombro". Si uno se lanza en su caja de cartón y llega a ese punto, bajará con fuerza y si éste impulso no es suficiente podría quedarse en ese pequeño tramo donde la colina sube y la diversión habrá acabado, pero bastaría un pequeño empujón para continuar bajando. En términos de energía esto puede suceder cuando un electrón adquiere cierto "impulso" para llevarlo a un estado energético mayor, pero que no es suficiente para llegar a dicho estado, sino que queda "a medio palo"; o bien, cuando ese mismo electrón libera energía desde un estado de energía alto hacia uno bajo, pero existe una pequeña barrera que no le permite seguir hacia el estado más fundamental. Eso es un estado metaestable. Algo así como una persona que se encuentra a punto de gastar los ahorros de su vida en confites, pero tiene una pareja que sabe necesitará un poco de eso para poder comer otras cosas y pagar alquiler, recibos... una "pequeña barrera" (yo y mis comparaciones!). Espero con esto aclarar sus dudas sobre el título de este Blog.

¡Saludos cordiales!

De la Relación entre la Química y la Sociedad - Parte II

De la Relación entre la Química y la Sociedad - Parte II*

Nos quedamos en la alquimia, el método científico y las diferencias que existen entre la antigüedad y la hoy tan desarrollada química. ¿Pero a qué viene toda esta historia? 

"En el siglo pasado hubo una gran expectativa alrededor de la química, del descubrimiento de nuevos tintes, medicinas, materiales. El punto de quiebre fue definitivamente el advenimiento de la Primera Guerra Mundial -también llamada la guerra de los químicos-" (Hartings y Fahy, 2011). Es decir, ¿la culpa es de la Guerra? Posiblemente sí, y de otra serie de variables adicionales.

En 1984, en Bhopal (India), la Union Carbide India Limited (UCIL) sufrió el mayor accidente industrial registrado con la liberación de varias toneladas de isocianato de metilo, un compuesto altamente tóxico. Los efectos iniciales eran tos, irritación de ojos y nariz. Pero lo más desastroso fueron los efectos posteriores. Cerca de 500 000 personas en total fueron expuestas a este gas. 

La Enfermedad de Minamata es otro famoso caso de irresponsabilidad en la gestión de productos químicos. Aquí, se dio un envenenamiento masivo en la Ciudad de Minamata, Prefectura de Kumamoto (Japón) debido a la presencia de metilmercurio en el agua de la Bahía de Minamata, que fue posteriormente bio-acumulándose en ostras y peces, consumidos por la población. Los efectos tardaron años en verse y se dio una oleada de malformaciones congénitas que desataron sospechas en los investigadores que descubrieron la causa del desastre.

Sin irnos muy largo de nuestro país, en el año 2006 hubo una importante explosión en Químicos Holanda, Limón (Costa Rica). En apariencia la gestión de materiales y reactivos peligrosos no era la adecuada. Entre las opiniones escuchadas, destaca el que los bomberos no contaban en ese entonces con la capacitación adecuada (yo diría más bien la información a mano), por lo que el incendio se propagó debido al uso de agua como agente extinguidor (los principales compuestos en la planta eran tolueno y xileno, ambos insolubles en agua). 

Hoy en día, existen campañas contra el uso de vacunas, de cultivos transgénicos y de medicinas sintéticas. Sin embargo cabe aclarar lo siguiente: las vacunas son preparadas precisamente a partir de organismos resistentes a la enfermedad en cuestión y luego adaptadas para ser incorporadas al sistema inmunitario. Los efectos secundarios son mínimos en todos los casos. Las medicinas y compuestos alimentarios sintéticos no son más que alternativas acordes a la realidad actual del mercado. Por ejemplo, la extracción de vainillina de la orquídea que lo produce es sumamente cara y el producto generado es muy poco (en cantidad), y definitivamente no alcanzaría para cubrir, ni siquiera, la demanda mundial de helados de vainilla.

En el caso de los transgénicos, declaro que sé poco del tema, con respecto a su desarrollo y beneficios y/o perjuicios analizados en estudios serios, sin embargo, pronto consultaré varios libros para saber la verdad del tema.

Una vez expuesto todo esto. Se puede vislumbrar un poco el por qué del miedo a la química que se ha desarrollado en el "inconsciente". ¿Pero acaso se ha gestado esto sólo? 

En la siguiente entrada, parte III, veré si existen culpables en esta problemática: ¿los químicos, los gobiernos, la industria o la academia?

¡Saludos cordiales!

Ilustración sobre la bioacumulación generada en el desastre de Minamata, Japón. 
Fuente: google imágenes.

Bibliografía consultada:

Hartings, M.; Fahy, D. (2011). Communicating chemistry for public engagement. Nature Chemistry, 3, 674-677.

*Texto basado en comentarios propios y de compañeros de clase en el curso de Seminario de Sección II de la Escuela de Química, Universidad de Costa Rica.

Sobre la Ciencia y Desinformación

Un poco dirigida a esto va mi entrada sobre la química y sociedad, y es que no sólo la química se ve afectada por la desinformación, en nuestros días los cultivos transgénicos son tema de debate. Este artículo es una colaboración del químico Kevin Arias, quien me dio el enlace del artículo escrito en el periódico La Nación, y publicado hoy 2 de abril, por el Dr. Agustín Büchert, especialista en Biotecnología y Biología Molecular. 
¿Quién mejor para aclarar el tema que un experto? ¡Lectura recomendada!

http://www.nacion.com/m/opinion/foros/Ciencia-desinformacion_0_1479052095.html

En busca de autores

¡Se busca autores para el Electrón Metaestable!

Hola, dado que el contenido del Blog es la ciencia en todo su esplendor, estaría encantado de agregar autores de muchas áreas para que ayuden en esta tarea de la divulgación de la ciencia. El perfil es que sean de una ciencia: física, química, biología, geología, matemática, psicología, estadística. Todo con el fin de enriquecer el contenido del Blog y atraer más público interesado en la lectura de múltiples disciplinas. Si Ud. puede hacerlo, anímese! O recomiende a un amigo y cuéntele sobre la idea. Si está interesado puede ver mi correo en mi perfil en el Blog.

¡Saludos cordiales!

De la relación entre química y sociedad - Parte I

De la relación entre química y sociedad*

Con esta breve historia sobre la Piedra Filosofal y lo que se buscaba con ella, creo hay un buen punto de partida para iniciar con esta primera entrada. Hace unos días tuve una interesante clase sobre el rol de la química en la sociedad, y entre los temas salió a relucir la quimifobia, el miedo a la química que existe hoy en la sociedad. 

Como pudo observar en el vídeo anterior, la alquimia buscaba de forma incesante transformar cosas (metales, especialmente) baratos en otros más valiosos. Otras búsquedas más "espirituales" llevaban al éter, a la vida eterna y a la creación de humanos artificiales, conocidos como homúnculos.

En esta época, el alquimista era un investigador empírico que protegía sus secretos y sus descubrimientos de todo aquel que pretendiera verlos. La búsqueda de la transmutación de metales a oro estaba completamente envuelta en un halo de misterio, misticismo y ritos. Tanto así que se debía purificar el sitio donde se transmutaría lo que en ese tiempo era un sueño de muchos. El devaluar el oro, los ritos extraños y el secretismo terminaron por condenar a los alquimistas, que fueron perseguidos por herejía, por sus ineficaces métodos y por intereses particulares de los poderosos de la época.

¿Es acaso posible que este estigma de secretismo, rituales, persecuciones e intereses de particulares siga afectando lo que hoy día ya no es alquimia, sino química? ¿Se sigue viendo la química como magia?

He de aclarar primero algunas definiciones y contrastarlas para ir develando el sentido de esta entrada. Primero, la alquimia se basa en ritos, es empírica y busca una sola cosa: transmutar. La química por el contrario, es una ciencia natural que sigue la rigurosidad del método científico (observación, inducción, formulación de una hipótesis, experimentación, demostración o rechazo de la hipótesis y finalmente el establecimiento de una teoría o tesis científica). 

La palabra alquimia proviene del árabe Al-khimiya (se escribe bastante raro, pero se pronuncia semejante a lo que he puesto aquí) y significa echar junto, verter junto, soldar junto. ¡Esto tiene sentido si se considera que la mayoría de los "reactivos" (se conoce como reactivo hoy en día a una sustancia(s) utilizada(s) como punto de partida para llegar a un producto) de esa época eran metales! La palabra química se deriva de "alquimia" pero fue aceptada y moldeada como una ciencia hasta el advenimiento de Antoine Lavoisier y su Tratado elemental de la química en 1789. Este señor, considerado el padre de la química fue el primero en ver al nivel del método científico, el transcurso de una reacción química y observó que existía una igualdad entre la materia que se colocaba al inicio y la que había al final de dicha reacción. Estudió con especial atención la estequiometría (cálculo cuantitativo de relaciones entre reactivos y productos en las reacciones químicas) y también estudió arduamente los ácidos y la reacción de combustión a nivel biológico. Se encuentra documentado un experimento en el que encerró a un caballo en una botella gigante llena de oxígeno y al cabo de un tiempo midió la cantidad de dióxido de carbono producido, un genio este tipo! A diferencia de Lavoisier, Hennig Brand, un famoso alquimista, descubrió por serendipia (sugerencia: busque el significado de esta palabra en google o Wikipedia) el fósforo blanco. Sí, un elemento puro. 

No es que le quite mérito a los alquimistas, muchas de las técnicas que utilizamos hoy en día para fundición, aleación de metales y purificación mediante destilaciones han sido gracias a sus incesantes horas de mezcle y agite, y a su trabajo con metales como el mercurio. Sin embargo, carecían del núcleo de la ciencia, lo que le da validez y credibilidad y que mencioné antes: el método científico.

Sin embargo, continuaré esto con la próxima entrada. ¡Saludos cordiales!

*Este texto constituye un resumen con aportes propios y de compañeros de clase en el curso Seminario de Sección II de la Escuela de Química, Universidad de Costa Rica*