Aplicación de la Química Verde en el Laboratorio de Química

Aplicación de Algunos Principios de Química Verde en el Laboratorio de Química

Robert A. Cazar

“Outline” de la Presentación 1. Qué es la química verde 2. Los principios de la química verde 3. Por qué aplicarlos en el laboratorio de química? 4. Ejemplos de prácticas de laboratorio que incorporan estos principios 5. Recursos útiles para quienes desean saber más al respecto

Qué es la química verde?

La química verde persigue prevenir la contaminación en su fuente desarrollando productos y procesos químicos más sustentables.

Actualmente muchos de nosotros hemos tomado acciones para reducir nuestro impacto en el ambiente:

Reciclamos

Usamos focos eficientes

Algunos manejan autos híbridos

Pero, que tal si pudiésemos prevenir la contaminación antes de que ocurra? Esta es la revolucionaria idea detrás de la química verde, reducir y prevenir la contaminación a nivel atómico.

Crecimiento de la Química Verde La química ha sido reconocida como disciplina científica por 150 años. En comparación, el concepto de química verde es nuevo. Tuvo su origen en el Acta de Prevención de la Contaminación de 1990, que llamó a la industria a reducir o eliminar la polución en su fuente en vez de limpiarla después. En el 2000, el concepto de química verde comenzó a enseñarse en las aulas universitarias.

Tomado de Marian College Magnet, fall 2008 edition

Los Fundadores de la Química Verde

Dr. Paul Anastas Director del Centro para la Química Verde y la Ingeniería Verde Teresa and H. John Heinz III Profesor de la Universidad de Yale.

Dr. John C. Warner Fundador del Instituto Warner Babcock para la Química Verde.

Los 12 Principios de la Química Verde 1. Prevención. 2. Economía atómica.

3. Síntesis químicas menos peligrosas. 4. Diseñar productos químicos más seguros. 5. Solventes y sustancias auxiliares más seguros. 6. Diseñar teniendo en cuenta economía energética. 7. Uso de materias primas renovables. 8. Reducir derivativos. 9. Catálisis. 10. Diseñar teniendo en cuenta degradación. 11. Análisis en tiempo real para prevenir contaminación. 12. Química inherentemente más segura para prevenir accidentes. Anastas, P. T. and Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press: New York, 1998, p. 30.

Por qué aplicar la química verde en la enseñanza y en el laboratorio de química? •Presenta una versión moderna del curriculum tradicional de la química. •Promueve el pensamiento crítico •Materiales menos tóxicos = experimentos más seguros para los estudiantes.

•Reduce costos, usa equipos y reactivos más baratos. •Relaciona conceptos científicos con sustentabilidad y manejo responsable. •Provee a los estudiantes de un conjunto de habilidades que los hacen más “vendibles” para trabajos científicos en el siglo 21.

Debido al creciente enfoque de las industrias en prácticas y procedimientos sustentables, se requiere cada vez más individuos capaces de aplicar los principios de la química verde.

Dos Ejemplos de Aplicación de los Principios de la Química Verde en el Laboratorio de Química:

1. Factores que afectan la velocidad de una reacción

2. Preparación de un biomaterial

Ejemplo #1 Práctica: Identificación de los factores que afectan a la velocidad de una reacción Información Fundamental:

Materiales Requeridos: •6 tabletas de un antiácido efervescente (Alka Seltzer) •3 vasos de precipitación •agua a temperatura ambiente •Agua caliente •Probeta de 25 mL •Bicarbonato de sodio •Cuchara o espátula •Vinagre •Stickers o un marcador

Dos de los ingredientes del antiácido son ácido cítrico y bicarbonato de sodio, un ácido y una base. Cuando estas sustancias reaccionan, uno de los productos es el gas dióxido de carbono (CO2). Se puede medir cuán rápido procede la reacción examinando la velocidad con la cual se produce el CO2.

1. Abra el empaque de una tableta, pártala en dos. Coloque la una mitad en una superficie limpia y seca. Deje caer la otra mitad en un vaso con agua. Qué ocurre? Cual mitad produce gas más rápidamente? Identifique el factor que causa que la una mitad reaccione rápidamente.

FACTOR: Medio en el que transcurre la Reacción

2. Pulverice una tableta efervescente usando un mortero. Rotule dos vasos limpios y secos como “polvo” y “entera”. Coloque 100 mL de agua a temperatura ambiente en cada vaso. A exactamente el mismo tiempo vierta el polvo en el primer vaso y la tableta entera en el otro vaso. Cuál reacciona más rápido? Identifique el factor que acelera la velocidad de la reacción.

FACTOR: Área Superficial

3. Enfríe algo de agua a aproximadamente 10 C en un recipiente añadiéndole hielo. En otro recipiente caliente agua hasta aproximadamente 60 C. Tome 2 vasos limpios y secos y rotule al primero “fría” y añada 100 mL de esa agua . Rotule el segundo “caliente” y vierta en él 100 mL de esa agua. Al mismo tiempo deje caer una tableta en cada uno de los dos vasos. Cuál reacciona más rápido? Cuál más lento? Identifique el factor que acelera la velocidad de la reacción.

FACTOR: Temperatura

4. El vinagre es una solución acuosa de ácido acético. El ácido acético reacciona con el bicarbonato de sodio para producir CO2 de modo similar al ácido cítrico de la tableta. Coloque una cucharada de de NaHCO3 en c/u de dos vasos limpios y secos. Vierta 50 mL de una mezcla 1: 1 de agua y vinagre en un vaso y 50 mL de vinagre puro en el otro. Qué observa?

FACTOR: Concentración del reactivo

Cuestionario

1. Basándose en los resultados de su experimento, que factores afectan la velocidad de una reacción química? 2. Que se puede hacer para acelerar una reacción química? Y que se puede hacer para volverla lenta? 3. Añadir un catalizador es otro método muy importante para cambiar la velocidad de una reacción. Defina el término catalizador. Escriba tres ejemplos de catalizadores.

Características del Experimento •Sumamente simple •Todos los materiales usados son sustancias caseras inocuas •Se basa en la indagación (promueve observación cuidadosa)

Qué Principios de la Química Verde se han Aplicado? Principio 3: Se han usado y se han generado sustancias inocuas para la salud humana y el ambiente.

Principio 6: Los requerimientos de energía del experimentos son mínimos. Principio 12: Las sustancias usadas en el experimento minimizan potenciales accidentes químicos.

Ejemplo #2 Práctica: Preparación de un bioplástico Información Fundamental Los bioplásticos son plasticos biodegradables obtenidos a partir materias primas renovables. La ventaja que ofrecen es que preservan fuentes de energía no renovables (petróleo) y reducen el problema cada vez mas oneroso del manejo de desechos. Según el reporte New Biotech Tools for a Cleaner Environment del 2004 elaborado por dos afamadas firmas consultoras ambientales , BIO y AJW Inc., si se usan a gran escala, los bioplásticos reducirían los desechos plásticos hasta en un 80 %. Si todos los plásticos fuesen fabricados a partir de recursos renovables, el consumo de petróleo usado en su manufactura caería entre 90 – 145 millones de barriles por año. Los bioplásticos se fabrican a partir de biopolímeros muy abundantes en la naturaleza como los carbohidratos y proteínas. Para convertir los biopolímeros en bioplásticos se les agrega un plastificante y otros aditivos para mejorar sus propiedades.

Materiales, reactivos e instrumentos requeridos

•Vaso de precipitación de 250 mL •Probeta de 10 mL •Balón aforado de 100 mL •Agitador •Hornilla •Balanza •Pesa-muestras •Agua •Gelatina sin sabor (colapez) •Glicerina •Superficie antiadherente Un bioplástico se puede fabricar fácilmente usando sustancias que se encuentran en el hogar, en una tienda, o en una farmacia. El procedimiento descrito a continuación permite obtener una lamina transparente que puede ser utilizada como mica de documentos o empaque de alimentos.

Procedimiento 1. Pese 6 gramos de gelatina sin sabor y prepare 100 mL de una solución de glicerina al 1%

2. Mezcle la gelatina y la solución de glicerina en un vaso de precipitación. Agite muy bien.

3. Para una completa disolución de los componentes caliente la mezcla, mientras continúa agitando, hasta que comiencen a aparecer burbujas (no deje hervir!)

4. Vierta cuidadosamente la mezcla caliente en un molde con superficie antiadherente. Si es necesario esparza la mezcla para cubrir completamente el fondo del molde.

5. Deje que la preparación seque completamente. El tiempo de secado depende de la temperatura ambiente y la humedad. Coloque el molde en un lugar seguro por cuanto fuese necesario (comúnmente 3 – 4 días)

6. Cuando se completa el secado desprenda cuidadosamente la lámina de bioplástico.

Cuestionario 1. Investigue sobre los bioplásticos. Escriba un pequeño ensayo al respecto (máximo 1 pagina). 2. Como podría utilizar la lamina de plástico obtenida? Idee y describa una aplicación de su plástico. 3. Averigüe los precios de los materiales usados y haga un análisis de costos de la fabricación de la lámina de bioplástico. Comparado con la fabricación de plásticos tradicionales, es rentable?

Características del Experimento •Sumamente simple. •Las sustancias usadas son virtualmente inocuas para la salud humana y el ambiente y se consiguen fácilmente. • Genera un producto biodegradable. •Es atractivo para los estudiantes, muestra una aplicación relevante de la química en el mundo real.

Qué Principios de la Química Verde se han Aplicado?

Principio 3: Se han usado y se han generado sustancias inocuas para la salud humana y el ambiente. Principio 7: Se ha usado como materia prima un material renovable (gelatina). Principio 10. Se ha obtenido un producto biodegradable, que no persiste en el ambiente luego de ser usado. Principio 12: Las sustancias usadas en el experimento minimizan potenciales accidentes químicos.

Más en: http://sites.google.com/site/quimicafisicainorganica/ home

Recursos útiles para quienes desean conocer más de la Química Verde Altamente recomendados: 1. http://www.greenchemistry.yale.edu/

Dispone de un link que permite acceder a un curso gratuito de química verde: http://igs.chem.cmu.edu/

Altamente Recomendado 2. http://www.warnerbabcock.com/

Provee cursos de entrenamiento para científicos e ingenieros http://www.warnerbabcock.com/professional_training/scientist_training.asp

BIBLIOGRAFÍA

1. Anastas, P. T. and Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press: New York, 1998 2. Petry, A. Marian College Magnet. Fall 2008 edition 3. Alexander, A.J.; Zare, R.N. Journal of Chemical Education, 1998, 75, 1105 – 1118 4. Steven, E.S. Green Plastics: An Introduction to the New Science of Biodegradable Plastics. Princeton University Press, Princeton, 2002 5. Haack , J.A.; Hutchison, J.E. Journal of Chemical Education. 2005, 82 , 974 - 976