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

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.

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.

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

Y fueron de los primeros profesionales en hacerlo. 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.

ASÍ SE CONCLUYÓ QUE debía considerarse: LA RAZÓN DEL CAMBIO 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: a la química en conjunto armónico con el medio ambiente

LA QUÍMICA VERDE ---- GREEN CHEMISTRY 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

benceno ácido adípico (NYLON) 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) ADEMÁS TRADICIONALMENTE no se tenían en cuenta las otras sustancias empleadas, ni a los subproductos inútiles que se producían.

Biosíntesis del ácido adípico, más acorde con los principios de la química sostenible El solvente es H2O, pero no se generan sustancias tóxicas D-glucosa 3-dehidroshikimato cis-cis ácido mucónico ácido adípico ¡ ¡ catalizador ! !

Algunos principios estratégicos de la química sostenible **No generar desechos, en lugar de generarlos y luego tratar de remediar el daño que puedan producir. **Economía de átomos: Contabiliza cuántos átomos del total presente en los 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 **Minimizar el uso de sustancias y procesos intrínsecamente peligrosos (toxicidad, explosión, etc.)

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

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

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

Una breve digresión que viene a cuento: 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

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

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

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. ASÍ la Química aparece como la ciencia de la comunicación, el reconocimiento y el comportamiento A NIVEL MOLECULAR

CO2 comunicación HCOOH reconocimiento CH3OH comportamiento

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

21st 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

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.

Un ejemplo: se plantea la necesidad de reemplazar los solventes tradicionales ¿H2O?

Estos números siguieron casi inalterados hasta 2006

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

Log del factor de incremento para KI en H2O y en NH3 Log of the enhancement factor for KI in H2O and in NH3

Efluente descargado por una planta de teñido de blue jeans.

Captura de CO2: 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 CO2. --Enjaulado de CO2 en sólidos porosos. Una nueva versión utiliza esqueletos de zeolita-imidazolatos (1 L retiene 30 L CO2) --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).

1º Los ciclos termoquímicos Se analizaron 280 ciclos termoquímicos que produjeran H2. 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 H2, todos usan energía solar para alcanzar la temperatura necesaria. S. Abanades et al. [Energy, 31, 2805 (2006)]

Veamos tres reacciones que cumplen con los criterios de selección: ZnO  Zn + (1/2) O2; Zn + H2O  ZnO + H2 (2000 ºC) (1000 ºC) CoSO4  CoO + SO2 +(1/2) O2; CoO + H2O + SO2  CoSO4 + H2 (1100 ºC) (200 ºC) 3FeCl2 + 4H2O  Fe3O4 + 6HCl + H2; (680 ºC) Fe3O4 + (3/2) Cl2 + 6HCl  3FeCl3 + 3H2O + (1/2)O2; (900 ºC) 3FeCl3  3FeCl2 + (3/2)Cl2; (420 ºC)

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

El ciclo utiliza ferritas de zinc y níquel deficientes en oxígeno 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: Zn0.xNi(1-0.x)Fe2O4 + y H2O ⇄ Zn0.xNi(1-0.x)Fe2O4+y + y H2 producción de hidrógeno (800 – 1200 ºC) Reciclado que produce oxígeno (1000 – 1200 ºC) O2 y H2 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 CO2.

2+ El complejo Ru(bpy) fotosensibilizador sobre TiO2 (celda de Grätzel): verde Ru, azul N, También se utilizan con éxito líquidos iónicos para disolver el sensibilizador que luego se deposita sobre TiO2 [Grätzel y colaboradores, JACS (2006)] B(CN)4 etil,metil imidazol

Facilita un camino rápido y eficiente para transferir electrones SISTEMA HÍBRIDO Facilita un camino rápido y eficiente para transferir electrones Grimme, et al., JACS, 130, 6308 (2008) Cable molecular (clusters de Fe4S4) adherido con un ditiol Catalizador, nanopartículas de Au o Pt Fotosistema I (natural), fuente electrones muy reductores

 Representación de los pasos de reacción en el proceso de fabricación de gas de síntesis (steam-reforming)   catalizador H2O(g) + CH4(g) CO(g) + 3H2(g) C.T. Campbell & coworkers, JACS, 131, 8077 (2009).

Cambio relativo en la velocidad neta de reacción cuando se estabiliza o desestabiliza un intermediario en la reacción.

Geocemento [E-Crete, Zeobond] 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 CO2 producido en la fabricación de Portland. Por ahora para construcciones de poco riesgo (principio precautorio)

Sensores 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.

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

No hay químico más inventivo que la naturaleza QUÍMICA BIOMIMÉTICA

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

Micrografía de la superficie de una hoja de loto

Superficie hidrofóbica Superficie hiperhidrofóbica

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

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

MUCHAS GRACIAS