Tema 7 : Química moderna, medio ambiente y sostenibilidad.

7.1 Materiales químicos del pasado y de la actualidad.

A medida, que hemos avanzado en la historia, hemos avanzado con ello en la tecnología, en la química,

en el conocimiento de la física y de las matemáticas, así como de la biología y demás ramas de la ciencia.

La ciencia nos hace progresar como seres analíticos, y hace progresar nuestra calidad de vida, nos

enmarca como ingenieros para facilitarnos la vida y como médicos para aumentar nuestras esperanzas de

vida. Se estima que al comienzo de la humanidad la esperanza de vida ostentaba una cifra tal que 20 años

aproximadamente, mientras que hoy día, países como Japón presentan una esperanza de vida de 83 años.

Gracias a las vacunas, los medicamentos como la penicilina capaz de tratar infecciones durante la II

Guerra Mundial, la potabilidad, pasteurización de la leche, la construcción de canales comunicativos para

la sociedad, la mejora de la higiene, la canalización de las aguas residuales, el avance en la cuida de

alimentos, la invención de los trasportes, la concepción de los métodos anticonceptivos, así como la

globalización de la información mediante Internet, la explotación de las materias primas y de los

combustibles, el telégrafo por Graham Bell, la bombilla por Edison, incluso la rueda por las antiguas

civilizaciones mesopotámicas, el astrolabio de origen griego, o incluso la brújula, así como los modernos

televisores de cristal líquido y computadoras, memorias electrónicas, los vidrios templados, o sensores o

"regenadores" biológicos han facilitado y progresado nuestro ser tecnológico, han mejorado nuestra

esperanza de vida, y por ello si se permite decir nos hemos modernizado, progresando nuestra esfera

científica, analítica, pues con cada paso y huella que damos y dejamos más nos acercamos a una razón

más certera y absoluta, pues en el fondo la historia es ciencia, y esta es aquella mismo también en su

lugar.

Mas también, se debe tener en cuenta nuestro mañana, y pensar en las repercusiones de ciertos procesos

químicos, por ejemplo, los automóviles así como infinidad de fábricas vierten cantidades de CO2 a la

atmósfera, empeorando el efecto invernadero, responsable del agujero de la capa de ozono en Australia,

generando así que partículas cancerígenas como los rayos gamma penetren a la Tierra, ¿cómo debemos

actuar ante eso?

7.1.1 El papel de la salud.

La química ha multiplicado la esperanza de vida en un factor exponencial. El desarrollo de la química en

el campo de la farmacología hizo posible la obtención de vacunas o antibióticos, que lograron reducir

drásticamente los índices de mortalidad. Actualmente el ser humano vive en mejores condiciones hasta

edades más avanzadas, ya que los medicamentos no sólo curan nuestras enfermedades, sino que alivian el

dolor. La química del futuro prevé el uso de fármacos personalizados, específicos para cada paciente y

con un campo de aplicación exclusivo a las células dañadas, reduciendo así los efectos secundarios que

actualmente tienen los medicamentos, los cuales son muchas veces insostenibles.

La invención y posterior comercialización de los polímeros, en especial del plástico, ha permitido el

desarrollo de las operaciones quirúrgicas, las cuales actualmente se realizan con la utilización de

numerosos productos como antisépticos, desinfectantes, gases medicinales e infinidad de materiales

químicos que han revolucionado la medicina.

El ritmo vertiginoso de la investigación, encabezado por ciencias como la genómica, la biomedicina, la

ingeniería molecular y la de los nuevos materiales, tienen a la química como estandarte, y han abierto un

campo con infinitas posibilidades y fronteras imprevisibles. Se abre un campo infinito en el desarrollo de

células nerviosas para reparar lesiones medulares, células óseas y células pancreáticas para producir

insulina, así como la fabricación de órganos artificiales a partir de estructuras poliméricas. La

nanotecnología, los biosensores, el transporte de medicamentos a zonas específicas del organismo, la

oncología personalizada, las películas protectoras de polímero resistentes a las bacterias o los tejidos

inteligentes para la liberación controlada de fármacos.

7.1.2 El papel de la alimentación.

Para que los alimentos lleguen a nuestras cocinas, es necesario cuidar las plantas y protegerlas de plagas y

parásitos, obtener abundantes cosechas y criar un ganado sano y bien alimentado. Aquí intervienen lo

productos agroquímicos y fitosanitarios, los fertilizantes, y los fármacos zoosanitarios, así como

materiales plásticos, que permiten el aprovechamiento de los recursos naturales, llegando incluso a

convertir tierras pobres en explotaciones muy productivas, mediante sistemas de riego, invernaderos, etc.

Los desarrollos en agroquímica han permitido multiplicar hasta por diez veces el rendimiento de las

cosechas. La química es hoy en día uno de los procesos más aplicados en la industria de los alimentos, ya

que a través de ella los alimentos sufren ciertas transformaciones o 305 modificaciones para su propia

conservación mejorando así las propiedades que los constituyen. Los procesos utilizados en la industrias

de alimentos constituyen el factor de mayor importancia en las condiciones de vida y en la búsqueda de

soluciones que permitan preservar las características de los alimentos por largos períodos, utilizando

procedimientos adecuados en la aplicación de sustancias químicas en los alimentos tales como el

enfriamiento, congelación, pasteurización, secado, ahumado, conservación por productos químicos y

otros de caracteres similares que se les puede aplicar estas sustancias para su conservación y al beneficio

humano. El uso de diferentes aditivos, como los conservantes, permite la manutención de los alimentos

con sus cualidades nutritivas intactas, evitando que se pudran o estropeen. También el plástico es un

protagonista destacado en la conservación, al proporcionar envases y embalajes que protegen los

alimentos.

7.1.3 El papel de la higiene.

El enorme desarrollo de la potabilización del agua no sería posible sin el proceso químico de cloración,

que proporciona el 98% del agua potable que se consume en el mundo. La desinfección del agua

mediante el cloro líquido permite que, al ser el cloro un oxidante, se libere oxígeno, matando así a los

agentes patógenos, que son por lo general bacterias anaerobias. Otros desinfectantes usados son el

hipoclorito de sodio, hipoclorito de calcio, ozono, luz ultravioleta. Además de la desinfección del agua, la

química proporciona innumerables productos de higiene para mantener limpios espacios y ambientes,

como desinfectantes y detergentes, que constituyen la primera barrera de defensa contra las infecciones.

También proporciona diversos productos que, como ambientadores, abrillantadores, limpiacristales, ceras,

desengrasantes o diferentes limpiadores y germicidas, nos permiten vivir en condiciones higiénicas y

seguras.

7.1.4 El papel del trasporte.

Podemos hallar productos químicos en tres cuartas partes de los materiales utilizados en la fabricación de

automóviles y otros vehículos de transporte. Lubricantes, aditivos al caucho, pintura exterior,

combustibles, fibra de carbono, cristales, así como múltiples polímeros, han permitido el desarrollo de

medios de transporte más eficientes, ligeros, ecológicos, duraderos, seguros, silenciosos, bellos y

cómodos. Más de 800 millones de vehículos se desplazan cada día, y entre ellos, 200 millones de

toneladas de plástico circulan en los automóviles actuales.

Antioxidantes, agentes antidesgaste, inhibidores de corrosión y estabilizantes al calor; mayor comodidad

gracias a los sistemas de climatización (hidrofluorocarbonados), espumas de poliuretano y fibras

sintéticas para mayor comodidad, así como más seguridad (faros de policarbonato). Mayor seguridad,

proporcionada por el airbag, que ante los impactos frontales reduce el riesgo de muerte un 30%. Está

fabricado con una fibra química sintética como el nylon, un detector de impacto activa su inflado

mediante una reacción de boro y nitrato sódico, que provoca la expansión dentro de la bolsa de un gran

volumen de gas nitrógeno. Aerogeles aislantes y muy ligeros son utilizados en misiones espaciales así

como cerámicas técnicas específicas para motores con el fin de que estos soporten unas temperaturas

extremas, usándose así en astronáutica. En el caso de los automóviles, para reducir la contaminación, se

está investigando en la tracción híbrida, los coches eléctricos o la pila de combustible.

7.1.5 El papel en la tecnología.

El desarrollo de los ordenadores y, con ellos, las tecnologías de la comunicación, que han transformado el

mundo drásticamente, no hubiera sido posible sin la química. Los chips (silicio o arseniuro de galio),

soportes magnéticos (DVD, CD-ROM), pantallas, carcasas, teclados, cableado, ratón (polímeros

sintéticos), baterías (NiCad, NiMH, iones de litio), plásticos multirreciclables, circuitos electrónicos, así

como nuevos instrumentos de comunicación, materiales y nuevas aplicaciones que están revolucionando

las tecnologías de la información y transformando drásticamente las relaciones sociales. Hoy las

comunicaciones dependen de los materiales que la química ha sintetizado, y la capacidad y calidad de las

conexiones se ha multiplicado gracias a una contribución química como la fibra óptica.

Un avance tecnológico muy importante se ha dado en los OLED o diodos orgánicos de emisión de luz.

Están formados por una película de componentes orgánicos que reaccionan a una determinada

estimulación eléctrica, generando y emitiendo luz por sí mismos. La aplicación de las tecnologías basadas

en OLED es realmente amplia, y se utilizan ya en pantallas de ordenadores, teléfonos móviles, mp3 y

televisores ultraplanos. Es posible crear pantallas de una gran flexibilidad, teclados táctiles flexibles

basados en OLED, o pantallas curvas enrollables, así como la incorporación de pantallas incluso a

prendas de vestir.

7.1.6 Química verde.

El término química verde hace referencia al uso de la química para prevenir la contaminación a través del

diseño de productos y procesos químicos que sean ambientalmente benignos. Este concepto ha crecido

sustancialmente desde su aparición a principios de los años 90, el cual se basa en fuerte desarrollo

científico guiado por la necesidad económica de lograr un desarrollo sustentable. Es en favor de este

desarrollo que la contribución de la química a la protección del medio ambiente debe proveer de

soluciones cada vez más eficientes a esta industria. La química es una herramienta imprescindible cuando

se hace necesario introducir mejoras tecnológicas ya que se ocupa de estudiar y modificar todos los

aspectos de los procesos químicos que generen impactos negativos tanto sobre la salud humana como

sobre el ambiente. Se parte de la base de que el camino más eficiente para prevenir la contaminación

consiste en: I) diseñar productos nuevos que sean útiles y viables comercialmente pero cuya toxicidad sea

mínima; II) diseñar, para productos ya existentes, pasos sintéticos alternativos que no requieran sustratos

o solventes tóxicos ni generen subproductos tóxicos.

Actualmente, se ha logrado reducir a un 10% el volumen de emisiones de un vehículo actual respecto a

otro de hace 50 años, se han creado aislantes capaces de reducir hasta el 80% los gases de efecto

invernadero que emiten nuestras viviendas, o se han ideado alternativas a los combustibles energéticos,

como por ejemplo los paneles solares, que se basan en células fotovoltaicas creadas a partir de películas

de silicio cristalino, o híbridos de nanopartículas y polímeros que mejorarán su eficiencia, y que incluso

podrán ser formulados en una pintura que podría aplicarse directamente en tejados y todo tipo de

superficies. También la energía eólica precisa de la química. Las aspas de los aerogeneradores, que

pueden alcanzar una longitud de 80 metros, se fabrican con poliéster reforzado con fibra de vidrio o PVC,

que resisten a las inclemencias climatológicas a lo largo de su ciclo de vida y mejoran las prestaciones de

otros materiales tradicionales como la madera o el hierro.

7.2 Obtención del coque

En el proceso siderúrgico, el carbón coque presenta fines como combustible y como reductor de óxidos de

hierro para obtener hierro puro.

El carbón coque se obtiene a partir de carbones con un bajo contenido en azufre (1%) y cenizas (<8%). El

denominado carbón coque se obtiene industrialmente eliminando la materia volátil del carbón original,

generalmente carbón de hulla, y aglutinándolo con pasta de carbón (mezcla de carbones hulla triturados).

Este aglutinamiento tendrá lugar en las baterías de hornos de coque calentando la pasta hasta 1000ºC

(coquizado) en ausencia de aire y durante 16 horas.

Cuando termina el proceso, el carbón coque se rocía con agua para evitar su combustión inmediata con el

oxígeno debido a sus altas temperaturas. Este nuevo carbón, presenta un porcentaje en carbono superior al

90%.

A partir del carbón de coque, se permite la elaboración industrial de hierro, aceros y fundiciones en

procesos más complejos.

Ilustración.

7.3 Procesos nucleares. Energía nuclear. Almacenamiento de residuos.

-Entre la clasificación de los procesos materiales, estos pueden ser

Físicos, en el cual tan solo cambia el estado de agregación, como la vaporización.

Químicos, en los cuales cambian las moléculas, pero no los átomos.

Nucleares, en los que cambian los átomos incluso, produciéndose así nuevos elementos.

-La emisión de partículas mediante radiación (radiactivas) procedentes de núcleos atómicos, pueden

ser, partículas α (2 protones + 2 neutrones [partículas positivas]), con una capacidad de penetración baja

capaces de ser detenidas por una hoja de papel; las partículas β (formadas a partir de la descomposición

de neutrones [partículas negativas]) incapaces de penetrar una placa de aluminio; y los rayos γ (con una

alta capacidad de penetración y una elevada velocidad de movimiento, capaces de atravesar 1 metro de

hormigón, y de causar graves quemaduras así como cánceres de piel y enfermedades dermatológicas).

-La ruptura de un núcleo atómico se denomina fisión nuclear, a través de la cual se forman núcleos más

pequeños. Fue estudiada y descubierta en 1938 por los científicos Otto Hahn y Fritz Strassman. La fisión,

conlleva la liberación también de otras partículas, como los rayos gamma, alfa y beta, y por ello se libera

una cantidad considerable de energía (proceso exotérmico). El protocolo para llevar a cabo una fisión

nuclear mayoritariamente, consiste en bombardear el átomo con neutrones a una velocidad adecuada

(aunque también pueden emplearse protones, fotones o incluso otros átomos), estos neutrones, serán

absorbidos por el núcleo y se generara una inestabilidad atómica capaz de dividir el núcleo. Como

producto de ello, se generan átomos fisionados, es decir, átomos (normalmente) con la mitad de protones

y de neutrones, dando lugar a átomos de elementos diferentes, aunque también cabe decir, que no se

forman isótopos estables, sino todo lo contrario, inestables y radiactivos.

-La unión de dos o más núcleos atómicos se denomina fusión nuclear. A través de ella, dos átomos

ligeros se unirán para formar uno más pesado. Fue estudiada cerca de la década de los 40 por científicos

como H. Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer y E. Teller como parte del Proyecto Manhattan.

Se trata de un proceso endotérmico y exotérmico, ya que en función del tipo de fusión que se haga, se

requiere de energía para llevarse a cabo, o libera exceso de la misma. Esta energía la cobra de la radiación

gamma por ejemplo. Esta gran energía interna que se adquiere en dicho proceso, conllevará el

mencionado estado plasmático de la materia, y se liberará parte de esa energía mediante la expulsión de

neutrones. Este proceso, es causado en las estrellas de manera natural, para que la fusión de ciertos

átomos como el hidrógeno, permita la existencia de otros como el helio. El denominado estado

plasmático, parte de adquirir la materia que lo presenta una temperatura altísima, tanto (15x106 ºC) , que

los electrones se vuelven "locos" y se desprenden del átomo, eliminando así cargas negativas, pudiendo

así atraerse más fácilmente con otros átomos mediante fuerzas de atracción, y generando así la fusión.

Los isótopos más usados para fusión nuclear, son el deuterio (un átomo de hidrógeno de un protón y un

neutrón) y el tritio (un átomo de hidrógeno de un protón y dos neutrones), es decir, núcleos ligeros.

-Los llamados residuos nucleares, son todos aquellos materiales que contienen núcleos radiactivos, y

además no se tiene pensado ningún uso para ellos. Generalmente, se clasifican según su estado físico o

según su actividad (baja, media o alta). Los residuos de baja o media actividad se deben almacenar de

forma superficial, mientras que los de alta actividad se almacenaran a grandes metros de profundidad

(AGP; almacenamientos geológicos profundos). Al no tener planeado ningún uso práctico, y ser

potencialmente peligrosos para el contacto humano y natural, se deben de almacenar en lugares seguros

llamados cementerios nucleares. El material radiactivo (por ejemplo, una barra de uranio) se encierra en

una roca sintética, y esta roca se introduce en un barril nuclear ocupando la totalidad de este. El barril se

vuelve a meter en otra roca sintética de mucha mayor magnitud junto con otros barriles más. Finalmente

la última roca, quedará inmersa (en el caso de los materiales de alta actividad) a grandes profundidades de

una barrera geológica.

-No obstante, por peligrosos que resulten para la sociedad, un buen y adecuado uso de estos isótopos

radiactivos, pueden ser beneficiosos en cierta medida para la salud, como en el caso del cáncer, la

emisión a dosis bajas de rayos gamma puede destruir las células cancerosas siendo estas más vulnerables

que las células normales. El 24

Na es usado como isótopo radiactivo en el torrente sanguíneo para

descubrir obstrucciones en el sistema circulatorio, así como el 131

I que es usado para medir la actividad de

la glándula tiroidea. También, estos isótopos radiactivos son usados para esterilizar instrumental médico o

conservar alimentos eliminando con rayos gamma todo tipo de insectos y bacterias. No obstante no hay

que olvidar, que un mal uso de los mismos pueden generar cánceres, malformidades, enfermedades de

diverso tipo, esterilidad...

-Por excelencia, el Uranio 235 con una riqueza del 3% es el combustible preferente en las actuales

centrales nucleares de fisión, aunque también se usa el Plutonio 239 generando cantidades de energía

increíbles, que se usará como energía eléctrica. La principal ventaja de este tipo de centrales es que no

liberan emisiones de CO2 a la atmósfera por lo que no contribuyen a la excesiva contaminación humana

por parte de este mismo gas.

7.4 Contaminación de aguas.

Se origina por medio de la actividad humana, y se entiende como tal a aquella trasmisión de sustancias

capaces de perjudicar el medio en el que se encuentran.

En el caso de las aguas, estas podrán ser continentales (ríos, estanques, embalses, pantanos, lagos, aguas

subterráneas...) también denominadas aguas dulces, encontradas en la corteza continental, y marinas o

saladas encontradas en la corteza oceánica. La contaminación de estas aguas se produce

mayoritariamente por los vertidos urbanos, agrícolas, desechos industriales, aguas residuales, negras y

fecales (responsables de los agentes patógenos capaces de trasmitir el cólera, el tifus...), sedimentos no

pertenecientes a ese entorno (como mineros, urbanos, derribos...), vertidos como el petróleo capaz de

asesinar a varias especies del hábitat, residuos radiactivos desechados de mala forma, así como la

contaminación acústica del trasporte fluvial y marítimo capaz de alterar el comportamiento de las

especies, y la abusiva explotación de nuestros océanos y mares. También se deberá tener en cuenta, que

los residuos vertidos pudieran tener nutrientes inorgánicos como fosfatos o nitratos, capaces de generar

vida micro-orgánica, algas, o efectos en nuestra salud, como por ejemplo, la excesiva cantidad de fósforo

que contienen la misma, que multiplica por 80 la cifra de fósforo adecuada, capaz de generar

enfermedades de tiroides.

La eutrofización de las aguas consiste en cargarla de nutrientes hasta tal punto, que la vida desaparece, se

vuelven verdosas, turbias, se pierde el oxígeno disuelto, y prolifera la aparición de algas y bacterias.

Muchos residuos urbanos y agrícolas como fertilizantes son los responsables de ello.

Por suerte, nuestros océanos son capaces de eliminar en parte grandes cantidades de esos vertidos,

actuando como devoradores de ellos, sin embargo, existe un umbral que no se deberá jamás traspasar,

pues de ellos vive el hombre, y sin ellos morirá, causando previamente destrucción tanto en la economía,

como en la sociedad, como en la misma salud.

Para limpiar y depurar las aguas residuales y devolverlas a los sistemas hidráulicos locales, para así

volver a utilizarla, se la somete a un proceso de tratamiento residual de 3 etapas:

1 Tratamiento (primario): elimina sólidos en suspensión, así como materia inorgánica.

2 Tratamiento (secundario): reduce el contenido en materia orgánica en tanques de

aireación y clarificación.

3 Tratamiento (terciario): consiste en filtrar todos los residuos sólidos o restos de

arena, y garantizar su pureza final con otro tratamiento químico (cloración,

desnitrificación...).

7.5 Contaminación del suelo.

La contaminación del suelo es la introducción de sustancias extrañas a la superficie terrestre.

Estos elementos perjudican de forma grave la salud de las personas, de animales y plantas.

El hecho que se altere la calidad de la tierra y como consecuencia se produzca una grave crisis

alimentaria, repercute en la forma de vida y en el futuro de las generaciones venideras, porque ellas

no tendrán un lugar donde plantar sus alimentos ni construir una casa donde vivir.

Las causas principales y los agentes contaminantes de la misma se encuentran principalmente en:

Ruptura de tanques de almacenamiento subterráneo: dando lugar a la liberación de

sustancias inflamables, peligrosas, volátiles y combustibles.

Uso excesivo de pesticidas (plaguicidas [plagas de seres vivos], herbicidas [hierbas

indeseadas], fungicidas [hongos, mohos]...)

Así como el uso excesivo del fertilizante, puede acarrear efectos secundarios como la

contaminación del suelo.

Desecho de basuras y diversos agentes tóxicos como el vidrio, los plásticos, papeles (que

tardan cientos de años en descomponerse), desechos industriales, sanitarios... (que pueden portar

diversos tipos de enfermedades e infecciones).

Desprendimientos mineros.

Monocultivo excesivo: que provoca un déficit de descanso del suelo, un déficit de nutrientes del

mismo, conllevando infertilidad y desertificación.

Metales pesados: como en todos seres vivos, los metales pesados son esenciales en pequeñas

dosis, pero estas dosis presentan un umbral máximo, si se sobrepasara dicho umbral,

aumentaríamos cada vez más las posibilidades de causar toxicidad o disfunciones severas. Estos

metales esenciales aunque también tóxicos, son el Arsénico, el Bromo, el Cobre, el Cromo, el

Manganeso, el Zinc, el Calcio, el Sodio, el Magnesio, el Potasio, el Hierro, el Molibdeno...

De igual forma para las plantas son necesarios tres elementos, el nitrógeno, el potasio y el

fósforo, de ahí, que en el mundo se elabores un fertilizante concreto conocido como NPK, ya que

presenta una dosis de 8% de nitrógeno, 24% pentaóxido de difósforo y un 16% de óxido de

potasio.

Entre las soluciones al problema, cabe destacar el reciclaje que consiste en convertir los desechos

potencialmente útiles en objetos nuevamente utilizables para prevenir la eliminación de esa fuente

material de utilidad. Otra solución es la ecoagricultura, que consiste en una agricultura limpia,

tradicional, ecológica y clásica, en la cual está completamente descartado el uso de todo agente

contaminante como los fertilizantes o los plaguicidas, utilizando simplemente los recursos naturales.