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RECURSOS

MOFS, la revolución de las moléculas

Las Mallas Metal-Orgánicas, más conocidas como MOFs por su sigla en inglés, son moléculas revolucionarias hechas a la medida de múltiples aplicaciones. Desde mediados de la década de los 90´s han capturado la atención de la comunidad científica mundial, luego que el académico de la Universidad de California en Berkeley, Omar Yaghi, reveló su potencial para la captura y almacenamiento de dióxido de carbono (CO2), la obtención de combustibles limpios y para capturar las moléculas de agua en el aire y generar a partir de ellas agua potable, entre otras aplicaciones.

En términos científicos los MOFs son compuestos cristalinos ordenados constituidos por centros metálicos (en principio puede ser cualquier elemento que tenga carácter metálico de la tabla periódica) conectados por fragmentos orgánicos, denominados linker. La estructura ordenada obtenida por esta combinación genera una malla porosa donde se pueden almacenar gases o drogas (para su posterior liberación). Otras aplicaciones posibles es usar los MOFs como tamiz molecular (para producir la separación por tamaño de diferentes moléculas), como sensores químicos, como catalizadores, entre muchas otras.

Con respecto al resto de los materiales porosos, los MOFs tienen la ventaja que su estructura puede ser moldeada según la aplicación en la cual el material quiera ser utilizado. Así, de forma similar a la que se configuran las piezas de un Lego, los científicos son capaces de crear MOFs cómo ellos deseen, mediante la modificación del linker orgánico y/o del centro metálico utilizado.

En el Núcleo Milenio en Procesos Catalíticos hacia la Química Sustentable utilizamos los MOFs para generar productos derivados de la biomasa con alto valor agregado. Así, por ejemplo, a partir de benzaldehído, un compuesto químico utilizado comúnmente como saborizante de alimentos, estamos generando benzaldehído acetal, cuyo valor puede llegar a ser 3 veces superior al producto original. Además, mediante la utilización, tanto de química computacional como de manera experimental, nos encontramos estudiando el mecanismo de reacción sobre el MOF, con la finalidad de realizarle modificaciones e incrementar la actividad catalítica del material.

Los MOFs también pueden ser usados en catálisis heterogénea, ya que presentan las ventajas de este tipo de catalizadores, es decir, pueden ser separados del medio donde se realizó la reacción química y reutilizados nuevamente en un nuevo proceso catalítico. Por otra parte, algunos MOFs presentan propiedades ópticas muy interesantes como fluorescencia y/o fosforescencia, lo cual amplía aún más la gama de aplicaciones de este tipo de materiales.

En cuanto a sus desventajas, los MOFs presentan una menor estabilidad en comparación con otros materiales porosos debido a la presencia de enlaces metal-ligando. Además, poseen un alto costo, debido a que el valor de los centros metálicos que generan estructuras más estables tales como zirconio o hafnio, es elevado en comparación al resto de los posibles metales de la tabla periódica.

La biomasa, promesa de un futuro con cero emisiones 

La biomasa es materia orgánica que se origina como resultado de la fotosíntesis. Existe biomasa que proviene de los residuos forestales, los desechos industriales o domiciliarios, los residuos agrícolas, y de los desechos de los animales. Su uso sirve para producir energía o materias primas para miles de productos que hoy se fabrican usando petróleo (fibra óptica, envases, prótesis, suelas de zapatos, etc).

El uso de la biomasa tiene múltiples beneficios para el medio ambiente si se compara con el de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural). Los árboles y plantas a medida que crecen absorben CO2 del aire y cuando mueren, parte del carbono del CO2 queda atrapado en la vegetación. A lo largo de miles de años las capas de vegetación son comprimidas y transformadas ya sea en carbón, petróleo o gas natural que son combustibles fósiles. El carbono que fue sacado de la atmósfera es en efecto “secuestrado” en las profundidades de la tierra.

Luego, cuando por ejemplo el carbón es extraído de la tierra y combustionado para generar energía, se libera CO2, el cual es el principal gas responsable de efecto invernadero y por lo tanto del calentamiento global. Este es el ciclo biogeoquímico del carbono, el cual es insostenible, ya que los combustibles fósiles son recursos no renovables, es decir limitados, y su uso aumenta los niveles de CO2 en la atmósfera.

En el caso de la biomasa, el carbono que la forma no está secuestrado en las profundidades de la tierra, sino que es parte del ciclo biológico del carbono, está atrapado dentro de árboles y plantas. Al utilizarse esta biomasa para la producción de energía u otros productos ocurre un circulo virtuoso, ya que la biomasa crece por fotosíntesis consumiendo el CO2 atmosférico, luego aquella que es utilizada se quema o se trata generando emisiones de CO2 que son capturadas por nuevas plantas y árboles generando más biomasa. Este ciclo es sostenible ya que la biomasa es un recurso renovable y carbono neutral, es decir, el CO2 que se genera al final de su uso, proviene de la atmósfera, por lo tanto, no hay aporte neto de CO2, ni se incrementa el efecto invernadero.

Sin embargo, el uso sustentable de la biomasa depende del proceso en el que se utilice y del uso que se le dé. Por ejemplo, usar la biomasa como leña para calefacción doméstica, no es sustentable actualmente en Chile, debido a que la alta humedad de la leña genera emisiones de material particulado durante la combustión que son altamente contaminantes para el aire. Si esta misma biomasa se utiliza para producir combustibles de mejor calidad, tales como pellet o briquetas, sí se trataría de un producto sustentable.

¿Es posible un futuro sin petróleo?

El petróleo es un líquido negro viscoso que consta de una compleja mezcla de compuestos orgánicos, principalmente hidrocarburos. Se encuentra dentro de la clasificación de combustible fósil y es posible encontrarlo en grandes cantidades en yacimientos subterráneos que se formaron millones de años atrás, luego de un proceso de intenso calor y presión a la que fueron sometidos organismos enterrados bajo rocas sedimentarias en el fondo del océano.

Desde su descubrimiento, el petróleo se ha vuelto indispensable en la vida de las personas en todo el mundo. Su uso más conocido es en combustibles, parafinas, asfaltos y lubricantes. Pero además de ello, el petróleo es fundamental para la confección de fibras textiles, plásticos, acrílicos, pinturas, detergentes, insecticidas, fármacos, entre otros.

El petróleo es un recurso no renovable, lo que significa que en algún momento se agotarán sus reservas.  Además, su producción conlleva importantes desafíos para el medio ambiente, ya que la reacción de combustión producida por los combustibles obtenidos a partir del petróleo, generan dióxido de carbono (CO2) el que se acumula en la atmósfera aumentando la concentración de gases de efecto invernadero y por lo tanto la temperatura promedio en la tierra, lo que a su vez acelera el cambio climático.

Se han buscado diversas alternativas para reemplazar este combustible fósil. Entre todas las energías renovables, se ha encontrado que solo a partir de biomasa vegetal, es posible obtener los mismos compuestos líquidos que los derivados del petróleo. Por lo tanto, a partir de adecuados tratamientos de biomasa vegetal, principalmente térmicos y catalíticos, es posible reemplazar a los derivados del petróleo.

La biomasa vegetal presenta una ventaja muy importante respecto a los derivados del petróleo; es una fuente renovable y carbono neutral, ya que la combustión de los combustibles obtenidos genera CO2 que las plantas pueden absorber por medio de la fotosíntesis, lo cual evita un aumento de su acumulación en la atmósfera. Además, su uso promueve una valorización de residuos incrementando su valor agregado. Entre los desafíos que presenta el uso de la biomasa se encuentra la elevada demanda actual de los derivados del petróleo, la cual es muy difícil reemplazar completamente a partir de biomasa.

¿Qué es una reacción química?

Una reacción química es un proceso en el que una sustancia cambia convirtiéndose en otra nueva, debido a que se generan y/o rompen los enlaces entre los átomos que la forman. Así por ejemplo, en los convertidores catalíticos de los automóviles se descompone el dióxido de nitrógeno contaminante (NO2) para generar dinitrógeno (N2) y dioxígeno (O2) que no contaminan.

Algunos indicadores de que está sucediendo una reacción química que pueden observarse a simple vista son la generación de luz, calor y los cambios de color en las sustancias, tal como ocurre durante la combustión de la madera.

Diariamente experimentamos muchos ejemplos de cambios químicos sin estar concientes de ello. Las reacciones químicas están presentes en nuestras vidas de muchas maneras, en el funcionamiento de los automóviles, la coción de los alimentos, la disolución del jabón, la oxidación de los metales, etc.

¿Para qué sirven las reacciones químicas?

Las reacciones químicas se utilizan para diferentes fines: generar calor, limpiar, hacer funcionar la batería de un celular y producir una amplia gama de productos fundamentales para la vida diaria desde cemento hasta medicinas.

La cocción de los alimentos es uno de los ejemplos más comunes de reacciones químicas que utilizamos a diario. Las reacciones que ocurren rompen las sustancias que componen los alimentos haciéndolos más blandos y facilitando la digestión al ingerirlos.

Los fuegos artificiales utilizados en celebraciones son producidos por reacciones químicas de combustión. Según las sustancias que los compongan se producen los diferentes colores que tanto llaman nuestra atención.

Los contaminantes que producen los autos son descompuestos por reacciones químicas que ocurren en los convertidores catalíticos en el escape del motor. Así se disminuye el impacto nocivo de las emisiones del transporte automotor.

Tipos de reacciones químicas

Existen disímiles tipos de reacciones químicas. Para facilitar su estudio se agrupan según la su naturaleza en: reacciones de formación, reacciones de descomposición, reacciones de sustitución, reacciones de oxidación-reducción y reacciones de ácido-base.

Reacciones de Descomposición
A partir de una sustancia compuesta se originan dos o más sustancias como ocurre por ejemplo con el bicarbonato de sodio usado para hornear que se descompone en tres sustancias si se calienta lo suficiente.

Reacciones de Sustitución
Tiene lugar una recombinación o intercambio de alguno de los átomos existentes. Por ejemplo, el hierro en contacto con sulfato de cobre produce cobre y sulfato de hierro.

Reacciones de Formación
Dos sustancias dan lugar a la formación de un compuesto. Así se forma el dióxido de carbono desde las brasas.

Reacciones Redox
Una sustancia se oxida al perder electrones y otra se reduce ganándolos. Esto ocurre con los metales al oxidarse.

Reacciones Ácido – Base
Un ácido y una base se neutralizan dando lugar a una sal como la de nuestra cocina.

¿Qué es una ecuación química?

Las ecuaciones químicas surgen cuando en el estudio de las reacciones químicas los científicos desarrollaron una forma común de representarlas, permitiendo la comunicación entre ellos.

Una ecuación química es la representación simbólica de una reacción química. Esto permite que importantes reacciones, como la fotosíntesis que realizan las plantas, puedan representarse con símbolos para ser estudiadas.

Las sustancias iniciales se denominan reactivos y las que se generan, productos. Los reactivos se escriben a la izquierda y los productos a la derecha de la flecha que indica que ocurre el cambio.

Las ecuaciones químicas tienen que estar estequiométricamente balanceadas, es decir, debe haber el mismo número de átomos de cada elemento a ambos lados de la flecha, tanto en los reactivos como los productos. De ser necesario se deben colocar coeficientes delante de las sustancias.

¿Qué es una reacción de hidrogenación?

La hidrogenación es una reacción química que implica la adición de dihidrógeno (H2) a otra sustancia, generalmente orgánica. La más típica implica la adición del H2 a un doble enlace carbono-carbono (C=C).

Esta reacción permite modificar la composición de grasas y aceites, disminuir las insaturaciones que contienen para hacerlos apropiados para diferentes usos. Así se puede modificar un mismo aceite para producir alimentos, jabones o cosméticos si se hidrogena en mayor o menor grado.

Requiere altas presiones y/o temperaturas además de la presencia de un catalizador para que ocurra. Los catalizadores (Cat) más utilizados son a base de níquel (Ni), cobre (Cu) o platino (Pt), entre otros. Por esta razón la reacción es heterogénea, porque ocurre en varias fases: H2 gaseoso, catalizador sólido y en ocasiones la sustancia para hidrogenar es líquida como los aceites.

La hidrogenación de CO2 se utiliza como alternativa para producir combustibles verdes. También tiene aplicaciones en la mejora de las propiedades del bio-oil obtenido en la pirólisis de biomasa, ayudando a encontrar alternativas sustentables al petróleo.

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