A utilidade dos microondas no campo químico

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

• Fisika
• Kimika

Expresións sobre microondas

Os microondas son nocivas. Este proverbio é moi coñecido, xa que en varias ocasións ouvimos falar dos efectos nocivos dos microondas. Aínda que esta forma de pensar está moi estendida, non é correcta, ou polo menos está por demostrar; adóitase dicir que causan danos xenéticos no ADN, provocan cegueira, etc. Paira analizar os posibles efectos sobre o ADN formáronse dous grupos de investigadores, uno na Universidade de Uppsala en Suecia e outro no King’s College de Londres. Ambos investigaron a absorción microondas do ADN nun rango de frecuencias de 1000 a 10000 megahercios e non atoparon indicios de absorción. O resultado destas investigacións é que os microondas non causan danos xenéticos. Demostrouse que algunhas enfermidades que se crearon (ou polo menos creábanse) por microondas non son realmente causadas por elas.

Con todo, os microondas son moi descoñecidas, polo que non se pode dicir que sexan absolutamente beneficiosas ou prexudiciais. Por iso hai que investigar máis a fondo.

Teorías sobre o comportamento de microondas

En laboratorios como este, os microondas poderían converterse en habituais. Pero non paira quentar o xantar.

Todos habemos visto que nas cafetarías o camareiro introduce o “croissant” nun pequeno forno e despois dun minuto extrae calor. Este pequeno forno é normalmente un microondas, o máis cómodo paira eles pola súa rapidez e limpeza.

Nós sabemos que se os alimentos entran nela, os microondas quéntanse, pero non sabemos en que consiste ese efecto.

Até agora os científicos creron que os microondas só quentaban auga e que o quecemento dos alimentos era debido ao quecemento da auga; o compoñente principal dos alimentos é a auga. A base desta crenza é que os microondas aceleran o movemento de rotación da auga. A aceleración do movemento aumenta a enerxía de rotación e cando as moléculas cunha enerxía cinética moi elevada chocan coas outras, descargan esta enerxía sobrante aumentando a enerxía térmica da contorna. Mediante este razoamento explícase o aumento da temperatura ambiental.

Algunhas reaccións químicas de gran interese químico non conteñen moléculas de auga nos seus compoñentes. Isto explica por que os químicos foron tan lentos paira empezar a utilizar microondas.

A primeira utilización de microondas nos laboratorios químicos consistiu no secado de certos compostos, que provocaban a evaporación da auga e a obtención dun composto purificado.

Richard Gedye, profesor da Universidade Laurentian de Ontario, comezou en 1988 a investigar a utilidade de microondas paira acelerar as reaccións químicas.

Gedy e o seu equipo de investigadores empregaron envases herméticos de teflón paira realizar reaccións orgánicas.

Os resultados que se obtiveron tras entrar e acenderse no forno foron moi positivos, xa que o rendemento era moi alto aínda que no interior do forno só había un minuto.

Nalgunhas reaccións, este método de quecemento permitía alcanzar velocidades de reacción moi superiores ás do quecemento convencional.

A reacción máis acelerada foi a reacción de obtención do cianofenil benzo éter. Normalmente tarda 12 horas en alcanzar o 65% do máximo rendemento posible, e este equipo de investigadores, utilizando microondas paira quentar, conseguiu o mesmo resultado en 35 segundos.

Polaridad

R.Gey dos seus compañeiros aceleran 1.200 veces algunhas reaccións químicas.

Por que se aceleran as reaccións? Paira responder a esta pregunta realizáronse outros experimentos. Tomaron uns disolventes e mediron o cambio no microondas despois dun minuto. Observaron que a temperatura da auga, alcois e disolventes similares aumentaba drasticamente, pero que noutros disolventes como a parafina a temperatura non subía moito.

Este grupo de investigadores concluíu que o poder calorífico dos microondas estaba na polaridad do líquido. Pero antes de explicar este efecto temos que explicar que é a polaridad.

Supoñamos que temos dous átomos de cloro, por exemplo. Se estes dous átomos forman un enlace, será totalmente covalente (son os mesmos átomos). Pensemos que temos un átomo de sodio e un átomo de cloro. A relación entre ambos os átomos é puramente iónica, xa que presentan electronegatividad moi diferente. Os casos intermedios non son covalentes perfectos, nin iónicos perfectos, senón covalentes polares. Nestes enlaces a distribución da carga eléctrica non é homoxénea, xa que ao redor do átomo máis electronegativo a densidade da carga eléctrica é maior que no outro. Isto constitúe un dipolo eléctrico.

Paira formar o composto polar non basta con ter enlaces covalentes polares. É necesario non eliminar os efectos de todos os dipolos eléctricos. Por exemplo, o cloruro de carbono (IV) ten una fórmula química do tipo Cl4C. Todos os enlaces son covalentes polares, pero a estrutura espacial deste composto é tetraedro, e os efectos de todos os dipolos destrúense entre si. O mesmo ocorre co CO2, que é catro e os dipolos dirixidos aos átomos de osíxeno destrúense entre si.

Influencia dos microondas

Si nun medio temos un composto polar, temos un dipolo que pode ser orientado por un campo eléctrico. Gedy e o seu equipo explican nos seus traballos que o poder calorífico dos microondas é o mesmo efecto. Gedy afirma que os dipolos das moléculas polares de líquido oriéntanse pola acción do campo eléctrico que levan as radiacións electromagnéticas (microondas), e que cando as moléculas reláxase paira volver ao seu estado inicial, os seus movementos extráense do seu estado estable producindo calor.

Desde que se publicaron as obras de Gedy realizáronse numerosas investigacións utilizando microondas. Na universidade de St. Louis un grupo de investigadores utilizou un microondas paira sintetizar medicamentos de curta vida. Estes medicamentos son radiomedicamentos e teñen gran importancia na curación actual, xa que serven paira estudar a evolución de certas enfermidades ou permiten detectar a incidencia de certos medicamentos. Un compoñente dos radiomedicamentos é una sustancia radioactiva, polo que a súa vida é moi curta. Por iso é tan importante sintetizar esta sustancia no momento que se necesita. O grupo anteriormente mencionado obtivo un maior rendemento da utilización de microondas e un menor tempo.

A aceleración das velocidades de reacción baséase en dous efectos. Utilización de disolventes polares, co consecuente aumento da temperatura. Doutra banda, utilízanse envases herméticos. Por tanto, cando o disolvente alcanza a súa temperatura de ebulición non se evapora como cando se utilizan outros métodos de quecemento. En consecuencia, o medio de reacción manterase a maior temperatura, con maior velocidade de reacción.

Outros usos

Método de tratamento de residuos radioactivos por microondas.

Os microondas non deben limitarse unicamente ao quecemento de sustancias orgánicas. Pódense utilizar paira outras cousas con boas consecuencias. Na universidade de Oxford, Mike Mingo utilizaba microondas paira secar óxidos orgánicos. É sorprendente porque os óxidos metálicos sen auga non conteñen moléculas polares. Estes óxidos forman una rede cristalina formada por cationes metálicos e óxidos aniónicos dispostos simétricamente. Por tanto, non debería haber dipolo.

Existen óxidos metálicos que absorben microondas e que non absorben. A explicación desta contradición é moi sinxela e consiste na ausencia de estequiometría. Algunhas redes cristalinas non son perfectas e entón o número de aniones ou cationes é maior, o que provoca distorsiones na rede; a distribución da carga eléctrica non é homoxénea, o que provoca polaridad. Os microondas poden sintonizar con esta polaridad e o material quéntase. O aumento da temperatura aumenta a polaridad e facilita a absorción dos microondas.

Esta fusión de óxidos metálicos pode ser moi importante na superconductividad, xa que pode realizarse en tempos moi curtos utilizando microondas.

Tamén se están levando a cabo estudos paira coñecer as potencialidades dos microondas e poder utilizar as súas vantaxes. No laboratorio Harwell está a investigarse un novo método que utiliza microondas paira eliminar residuos radioactivos desde 1970. Este procedemento, a microbitrificación, libera definitivamente os residuos radioactivos. É un procedemento de dúas etapas. Na primeira elimínase a auga e os nitratos de todos os produtos xerados nas fisiones nucleares convértense en óxidos. Na segunda, os microondas funden os óxidos e os hersten nun cristal inerte de borosilicato.

Como se viu neste artigo, os microondas poden ser moi útiles nun futuro próximo, xa que aínda non se fixo máis que empezar a súa investigación seria. Non creemos que sexa a panacea de todos os males, pero si que poden ser moi útiles si utilízanse con moderación.