Volumen 8 - Nº43 -Nov/Dic 1997 |
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Revista de Divulgación Científica y Tecnológica
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ARTÍCULO |
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Fluidos Supercríticos |
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Diego P.
Fernández y Roberto Fernández Prini |
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La mayoría de los procesos químicos que tienen aplicaciones tecnológicas a escala industrial como, por ejemplo, la síntesis de productos químicos, incluyendo medicamentos, la extracción de productos naturales y la limpieza y protección de superficies, tiene lugar en medios con disolventes líquidos. Los procesos industriales, en general, incluyen etapas en las que se intenta recuperar los disolventes después de que estos fueron utilizados; esta recuperación, sin embargo, casi nunca es completa de modo que parte del disolvente se incorpora en el ambiente. La masiva utilización de disolventes en numerosas actividades industriales determinó que hasta hace pocos años se produjera un vertiginoso crecimiento en el número de substancias disponibles para ser utilizadas con este fin. Tradicionalmente, la selección del disolvente adecuado para un determinado proceso se hacía teniendo en cuenta su eficacia como tal y su capacidad de contribuir a que los procesos tengan lugar en condiciones óptimas de eficiencia, seguridad y rapidez. Por ejemplo, el frecuente empleo de disolventes halogenados (esto es, del grupo de los halógenos, tales como el flúor, el cloro, el bromo y el iodo) se debió a que estos son muy poco inflamables -propiedad que en general está asociada a una baja reactividad química-. Esto fue una importante motivación para el marcado aumento en la producción de halones y freones que determinó que su producción en la década del 80 llegara al millón de toneladas anuales. Los halones son derivados halogenados de hidrocarburos alifáticos que se utilizan para combatir el fuego en equipamientos eléctricos porque no son conductores de electricidad; un ejemplo es el Halon 1301 que resulta del reemplazo de los hidrógenos del metano (CH4) por tres átomos de bromo y uno de flúor. Con el término freones se suele agrupar a los diversos fluidos formados por hidrocarburos con átomos de hidrógeno sustituidos por cloro y flúor y, en algunos casos, por otros halógenos; también se los designa como CFCs (acrónimo de carbono, flúor y cloro). El aumento de la conciencia ambiental en los últimos años junto con la demostración de que los solventes halogenados dañan la capa de ozono estratosférico, ha revertido la actitud frente a estos solventes de modo que la tendencia actual es proponer la eliminación total de su uso. La destrucción de la capa de ozono estratosférico se ve favorecida por la gran estabilidad química que poseen estas substancias que permite que sus moléculas permanezcan largo tiempo en la atmósfera sin sufrir modificaciones hasta llegar a la estratosfera donde reaccionan con el ozono y aceleran su descomposición (véase "Los clorofluorocarbonos y el ozono atmosférico: Un problema global" en Ciencia Hoy 36: 51-61, 1996). La presencia de moléculas de disolvente en la atmósfera también contribuye a incrementar la temperatura de la Tierra a través de su participación en el "efecto invernadero", esto es, en el calentamiento de la Tierra producido por aquellos gases atmosféricos que absorben las radiaciones infrarrojas emitidas por la Tierra, lo que impide así el natural enfriamiento de esta (véase "El cambio global: tendencias climáticas en la Argentina y el mundo" en Ciencia Hoy, 18: 32-39, 1992). Además de efectos ambientales globales, los disolventes contribuyen a la contaminación local de los centros industriales y sus zonas vecinas cuando son descargados en la atmósfera, en el sistema hídrico o en el suelo. La comprobación de que muchos disolventes de uso industrial tienen efectos perjudiciales para el ambiente obliga a la búsqueda de otros de impacto ambiental mínimo. Una idea atrayente es asociar esta búsqueda a la de substancias en las que sea posible ajustar con precisión, sintonizar, su capacidad disolvente. Esto permitiría utilizar una única substancia para cubrir una buena parte de la gama de comportamientos que hubieran requerido diferentes disolventes tradicionales. Para entender cómo llegar a ese objetivo es conveniente contestar primero la siguiente pregunta, ¿de qué depende que una substancia se disuelva en un disolvente dado? Desde la época en que la explicación era similis similibus solvuntur (simular disuelve lo similar) hasta el presente, se ha acumulado una rica información acerca de las propiedades moleculares que determinan qué tipo de interacciones se establecerán entre las moléculas de un disolvente y las de las substancias disueltas en él (solutos), para promover la solubilidad. A partir de estudios realizados esencialmente en los últimos cincuenta anos, se sabe que la solubilidad de una substancia depende críticamente de la densidad del disolvente -en general, la solubilidad de una substancia aumenta cuando aumenta la densidad del disolvente a temperatura constante. En este articulo el término densidad se utiliza para designar el número de moléculas que hay por unidad de volumen, de modo que cuanto mayor sea la densidad mayor será el empaquetamiento de las moléculas de un fluido y menor la distancia promedio entre dos moléculas vecinas. En los líquidos densos esta distancia es comparable al tamaño de sus moléculas. Lo anterior sugiere que se podría controlar el poder disolvente del fluido si se pudiera variar a voluntad su densidad desde los valores propios de un líquido denso hasta los característicos de un gas. Podría pensarse "a priori" que un modo de lograr eso seria variar la presión que se ejerce sobre el fluido. |
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| Sin embargo, cuando se intenta esta maniobra
utilizando líquidos comunes y temperaturas cercanas a la del ambiente, se observa que al
disminuir la presión se alcanza un valor de la temperatura, propio de cada líquido, en
que este cambia abruptamente de fase (ver "Los estados de
agregación de la materia"), pasando al estado gaseoso, proceso que está
acompañado por un dramático cambio de su densidad y, en consecuencia, de su capacidad de
actuar como disolvente. Por lo tanto, para realizar ajustes finos de la capacidad disolvente de un líquido a través de modificaciones de su densidad es conveniente que estos cambios se logren sin que ocurra la transición de fase. Esto sólo es factible cuando la temperatura del disolvente es superior a la llamada temperatura crítica (Tc) debido a que en estas condiciones el líquido se convierte en un fluido supercrítico (FSC). Por encima de la Tc sólo existen dos estados de agregación de la materia, el sólido y el fluido, y no se producen las indeseables transiciones de fase que se mencionaron antes (ver recuadro "Los estados de agregación de la materia"). |
![]() Fig. 1. Capacidad calorífica a presión constante del C02 en función de la densidad reducida (densidad reducida es la densidad en cada punto dividida por le densidad crítica). En cada isoterma se índica cuánto difiere la temperatura respectiva de la temperatura crítica (por ciento). (La capacidad calorífica de una substancia es la cantidad de energía que en forma de calor debe suministrársele para elevar su temperatura en un grado.) |