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El conocimiento científico crece gracias a la labor de miles de personas que se esfuerzan, hasta el agotamiento, por encontrar respuestas a los enigmas que plantea la Naturaleza. En cada programa un científico conversa con Ángel Rodríguez Lozano y abre para nosotros las puertas de un campo del conocimiento.

Microondas aplicadas a la síntesis química. Hablamos con Antonio de la Hoz.

Microondas en síntesis química. Hablando con Científicos podcast - Cienciaes.com
En química nos enseñaron que las sustancias pueden reaccionar entre sí para generar otras diferentes. En una reacción química intervienen, pues, varios factores. Por un lado, las sustancias iniciales, los reactivos, que, como en todas las cosas, están hechos de moléculas formadas por átomos unidos entre sí de una manera concreta mediante enlaces químicos.

Por otro lado, se obtienen los productos de la reacción, cuyas moléculas se forman cuando los enlaces de los reactivos se rompen y sus átomos se organizan de distinta manera generando productos nuevos. Este proceso de conversión no es gratuito, dependiendo de las sustancias de partida y de las que queramos obtener a partir de ellas, algunos reactivos necesitarán energía para que se produzca la transformación, ya sea para iniciarla o para mantenerla una vez iniciada, otros, en cambio, desprenderán energía en el proceso. Algunas reacciones son muy lentas a temperatura ambiente pero su velocidad puede aumentar de diversas formas: elevando la temperatura, con la presencia de otras sustancias llamadas catalizadores, disueltas en determinados disolventes, etc.

En un programa anterior, nuestro invitado, Antonio de la Hoz, profesor de Química Orgánica de la UCLM en Ciudad Real y director del Grupo de investigación Microondas en Síntesis Orgánica y Química Verde (MSOC), habló de la química sostenible, o química verde, como un conjunto de principios encaminados reducir o eliminar el uso o la generación de aquellas sustancias químicas peligrosas que intervienen en los procesos químicos. Hoy, contamos de nuevo con él para que nos hable de un campo de investigación que puede ayudar en ese camino: la utilización de microondas en la síntesis química.

Quien más y quien menos ha utilizado el horno de microondas de su cocina para calentar agua o comida, de hecho, tan familiarizados estamos con él que apenas nos preguntamos cómo es posible que ese aparato consiga calentar tan bien la comida y en tan poco tiempo.

Las microondas son ondas electromagnéticas del mismo tipo que las de la luz visible, pero de frecuencia más baja, que se utilizan en multitud de aplicaciones: comunicaciones de telefonía móvil, señales UHF de televisión, radares, etc. Tantas son las aplicaciones que se ha tenido que desarrollar una regulación muy exigente que distribuye las frecuencias para usos diversos.

Para aplicaciones industriales, científicas y médicas se utilizan cinco frecuencias concretas, de las cuales, la más empleada en laboratorios químicos o industriales es la de 2450 Mhz, la misma que permite calentar el agua o la comida en el microondas.

Las microondas tienen una capacidad de interacción con la materia muy limitada, no tienen energía suficiente como para romper enlaces químicos, así pues, no produce efectos nocivos en nosotros o en nuestros alimentos. El horno de microondas las utiliza como método de calefacción porque algunas sustancias las absorben y las convierten en calor.

Un campo de microondas tendrá poco o ningún efecto en aquellas sustancias cuyas moléculas sean neutras y tengan las cargas eléctricas uniformemente distribuidas. En cambio, una sustancia cuyas moléculas tengan las cargas eléctricas desplazadas (polares) serán muy sensibles a este tipo de ondas. Una molécula dipolar, como la molécula del agua por ejemplo, al tener las cargas ligeramente desplazadas, intentará orientarse según la dirección del campo en cada momento. Dado que el campo, en el interior del horno de microondas, cambia de dirección 2450 millones de veces por segundo, el movimiento de las moléculas se traduce en calor y la temperatura aumenta.

Así pues, mientras que las sustancias polares en estado líquido alcanzan el punto de ebullición en un minuto con microondas, las sustancias no polares no se calientan, o se calientan menos. Esta propiedad es importante en la síntesis química porque permite la utilización selectiva de calefacción en los disolventes y en los reactivos. Cuando las microondas se aplican a sustancias sólidas, las diferencias pueden ser muy notables, algunas no se calientan y otras pueden alcanzar los 2.000ºC en pocos minutos.

El objetivo de las investigaciones dirigidas por Antonio de la Hoz y su equipo es estudiar las reacciones químicas con medios computacionales para averiguar qué productos son los más adecuados para la utilización de microondas en la síntesis de productos químicos.

La utilización de las microondas para favorecer reacciones en laboratorio está bien desarrollada pero sus aplicaciones industriales no están exentas de problemas. En la industria química se emplean grandes volúmenes de reactivos y el efecto de las microondas está limitado por lo que se conoce como “factor de penetración”. Al irradiar con microondas un gran volumen, estas van perdiendo energía a medida que pasan de la superficie hacia el interior. Se conoce como factor de penetración a la distancia a la cual el campo disminuye un 37%. Por ejemplo, la penetración en un gran volumen de agua, a 25ºC, es 1, 4 cm, mientras que si el agua está a 95ºC, su factor de penetración es 5,7 cm. Esto impide calentar con microondas grandes volúmenes fácilmente porque sólo se calentaría la superficie.

El factor de penetración es un impedimento importante a la hora de utilizar las microondas en los procesos industriales. Una solución que se propone es calentar la sustancia fluida mientras circula por conductos de poco espesor, lo que se conoce como calentamiento en flujo.

Las microondas pueden ser útiles en reacciones químicas sin disolvente. Cuando los reactivos son polares se pueden utilizar las microondas para calentarlos directamente y no es necesaria la utilización de disolventes que en muchos casos son, además, contaminantes. Se aprovecha más la energía y se contamina menos. También se avanza en la utilización de catalizadores reciclables (zeolitas), que son sustancias térmicamente aislantes pero que responden bien a las microondas.

Es estado actual de la investigación sobre el uso de microondas en la síntesis química se centra en el laboratorio. Para su salto a la escala industrial deberán desarrollarse mejores sistemas de generación de microondas y procesos de fabricación en flujo continuo. No obstante, la posibilidad de ahorro de energía y disminución del uso de disolventes y otros contaminantes en algunos procesos es una ventaja importante para conseguir un química más limpia y sostenible.

Les invito a escuchar a Antonio de la Hoz, profesor de Química Orgánica de la UCLM en Ciudad Real y director del Grupo de investigación Microondas en Síntesis Orgánica y Química Verde.


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