La utilidad de las microondas en el campo químico

1989/11/01 Hernandez Ruiz de Olano, Ricardo Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Expresiones sobre microondas

Las microondas son nocivas. Este proverbio es muy conocido, ya que en varias ocasiones hemos oído hablar de los efectos nocivos de las microondas. Aunque esta forma de pensar está muy extendida, no es correcta, o al menos está por demostrar; se suele decir que causan daños genéticos en el ADN, provocan ceguera, etc. Para analizar los posibles efectos sobre el ADN se formaron dos grupos de investigadores, uno en la Universidad de Uppsala en Suecia y otro en el King’s College de Londres. Ambos investigaron la absorción microondas del ADN en un rango de frecuencias de 1000 a 10000 megahercios y no encontraron indicios de absorción. El resultado de estas investigaciones es que las microondas no causan daños genéticos. Se ha demostrado que algunas enfermedades que se crearon (o al menos se creaban) por microondas no son realmente causadas por ellas.

Sin embargo, las microondas son muy desconocidas, por lo que no se puede decir que sean absolutamente beneficiosas o perjudiciales. Por eso hay que investigar más a fondo.

Teorías sobre el comportamiento de microondas

En laboratorios como éste, las microondas podrían convertirse en habituales. Pero no para calentar el almuerzo.

Todos hemos visto que en las cafeterías el camarero introduce el “croissant” en un pequeño horno y después de un minuto extrae calor. Este pequeño horno es normalmente un microondas, el más cómodo para ellos por su rapidez y limpieza.

Nosotros sabemos que si los alimentos entran en ella, los microondas se calientan, pero no sabemos en qué consiste ese efecto.

Hasta ahora los científicos han creído que los microondas sólo calentaban agua y que el calentamiento de los alimentos era debido al calentamiento del agua; el componente principal de los alimentos es el agua. La base de esta creencia es que las microondas aceleran el movimiento de rotación del agua. La aceleración del movimiento aumenta la energía de rotación y cuando las moléculas con una energía cinética muy elevada chocan con las otras, descargan esta energía sobrante aumentando la energía térmica del entorno. Mediante este razonamiento se explica el aumento de la temperatura ambiental.

Algunas reacciones químicas de gran interés químico no contienen moléculas de agua en sus componentes. Esto explica por qué los químicos han sido tan lentos para empezar a utilizar microondas.

La primera utilización de microondas en los laboratorios químicos consistió en el secado de ciertos compuestos, que provocaban la evaporación del agua y la obtención de un compuesto purificado.

Richard Gedye, profesor de la Universidad Laurentian de Ontario, comenzó en 1988 a investigar la utilidad de microondas para acelerar las reacciones químicas.

Gedy y su equipo de investigadores emplearon envases herméticos de teflón para realizar reacciones orgánicas.

Los resultados que se obtuvieron tras entrar y encenderse en el horno fueron muy positivos, ya que el rendimiento era muy alto aunque en el interior del horno sólo había un minuto.

En algunas reacciones, este método de calentamiento permitía alcanzar velocidades de reacción muy superiores a las del calentamiento convencional.

La reacción más acelerada fue la reacción de obtención del cianofenil benzo éter. Normalmente tarda 12 horas en alcanzar el 65% del máximo rendimiento posible, y este equipo de investigadores, utilizando microondas para calentar, consiguió el mismo resultado en 35 segundos.

Polaridad

R.Gey de sus compañeros aceleran 1.200 veces algunas reacciones químicas.

¿Por qué se aceleran las reacciones? Para responder a esta pregunta se realizaron otros experimentos. Tomaron unos disolventes y midieron el cambio en el microondas después de un minuto. Observaron que la temperatura del agua, alcoholes y disolventes similares aumentaba drásticamente, pero que en otros disolventes como la parafina la temperatura no subía mucho.

Este grupo de investigadores concluyó que el poder calorífico de las microondas estaba en la polaridad del líquido. Pero antes de explicar este efecto tenemos que explicar qué es la polaridad.

Supongamos que tenemos dos átomos de cloro, por ejemplo. Si estos dos átomos forman un enlace, será totalmente covalente (son los mismos átomos). Pensemos que tenemos un átomo de sodio y un átomo de cloro. La relación entre ambos átomos es puramente iónica, ya que presentan electronegatividad muy diferente. Los casos intermedios no son covalentes perfectos, ni iónicos perfectos, sino covalentes polares. En estos enlaces la distribución de la carga eléctrica no es homogénea, ya que alrededor del átomo más electronegativo la densidad de la carga eléctrica es mayor que en el otro. Esto constituye un dipolo eléctrico.

Para formar el compuesto polar no basta con tener enlaces covalentes polares. Es necesario no eliminar los efectos de todos los dipolos eléctricos. Por ejemplo, el cloruro de carbono (IV) tiene una fórmula química del tipo Cl4C. Todos los enlaces son covalentes polares, pero la estructura espacial de este compuesto es tetraedro, y los efectos de todos los dipolos se destruyen entre sí. Lo mismo ocurre con el CO2, que es cuatro y los dipolos dirigidos a los átomos de oxígeno se destruyen entre sí.

Influencia de las microondas

Si en un medio tenemos un compuesto polar, tenemos un dipolo que puede ser orientado por un campo eléctrico. Gedy y su equipo explican en sus trabajos que el poder calorífico de las microondas es el mismo efecto. Gedy afirma que los dipolos de las moléculas polares de líquido se orientan por la acción del campo eléctrico que conllevan las radiaciones electromagnéticas (microondas), y que cuando las moléculas se relaja para volver a su estado inicial, sus movimientos se extraen de su estado estable produciendo calor.

Desde que se publicaron las obras de Gedy se han realizado numerosas investigaciones utilizando microondas. En la universidad de St. Louis un grupo de investigadores utilizó un microondas para sintetizar medicamentos de corta vida. Estos medicamentos son radiomedicamentos y tienen gran importancia en la curación actual, ya que sirven para estudiar la evolución de ciertas enfermedades o permiten detectar la incidencia de ciertos medicamentos. Un componente de los radiomedicamentos es una sustancia radiactiva, por lo que su vida es muy corta. Por eso es tan importante sintetizar esta sustancia en el momento que se necesita. El grupo anteriormente mencionado obtuvo un mayor rendimiento de la utilización de microondas y un menor tiempo.

La aceleración de las velocidades de reacción se basa en dos efectos. Utilización de disolventes polares, con el consiguiente aumento de la temperatura. Por otro lado, se utilizan envases herméticos. Por tanto, cuando el disolvente alcanza su temperatura de ebullición no se evapora como cuando se utilizan otros métodos de calentamiento. En consecuencia, el medio de reacción se mantendrá a mayor temperatura, con mayor velocidad de reacción.

Otros usos

Método de tratamiento de residuos radiactivos por microondas.

Las microondas no deben limitarse únicamente al calentamiento de sustancias orgánicas. Se pueden utilizar para otras cosas con buenas consecuencias. En la universidad de Oxford, Mike Mingo utilizaba microondas para secar óxidos orgánicos. Es sorprendente porque los óxidos metálicos sin agua no contienen moléculas polares. Estos óxidos forman una red cristalina formada por cationes metálicos y óxidos aniónicos dispuestos simétricamente. Por lo tanto, no debería haber dipolo.

Existen óxidos metálicos que absorben microondas y que no absorben. La explicación de esta contradicción es muy sencilla y consiste en la ausencia de estequiometría. Algunas redes cristalinas no son perfectas y entonces el número de aniones o cationes es mayor, lo que provoca distorsiones en la red; la distribución de la carga eléctrica no es homogénea, lo que provoca polaridad. Las microondas pueden sintonizar con esta polaridad y el material se calienta. El aumento de la temperatura aumenta la polaridad y facilita la absorción de las microondas.

Esta fusión de óxidos metálicos puede ser muy importante en la superconductividad, ya que puede realizarse en tiempos muy cortos utilizando microondas.

También se están llevando a cabo estudios para conocer las potencialidades de las microondas y poder utilizar sus ventajas. En el laboratorio Harwell se está investigando un nuevo método que utiliza microondas para eliminar residuos radiactivos desde 1970. Este procedimiento, la microbitrificación, libera definitivamente los residuos radiactivos. Es un procedimiento de dos etapas. En la primera se elimina el agua y los nitratos de todos los productos generados en las fisiones nucleares se convierten en óxidos. En la segunda, las microondas funden los óxidos y los hersten en un cristal inerte de borosilicato.

Como se ha visto en este artículo, las microondas pueden ser muy útiles en un futuro próximo, ya que todavía no se ha hecho más que empezar su investigación seria. No creemos que sea la panacea de todos los males, pero sí que pueden ser muy útiles si se utilizan con moderación.