Química verde: Conceptos básicos y aplicaciones

Por Luz Carreño, Andrés Rueda, Sheylla Reyes y 3 más

Es claro que la sostenibilidad del planeta se debe lograr si la especie humana quiere sobrevivir con los estándares de vida actuales. Los químicos y la ciencia química tienen un papel primordial en el logro de esta sostenibilidad, pero como estos actores del problema no pueden lograr este propósito solos es vital que los no-químicos entiendan los conceptos básicos de la química verde y cómo estos principios se pueden usar para salvar el planeta, garantizar nuestra sobrevivencia, pero también la de todas las formas de vida que aquí habitan. En este sentido, este libro es una revisión en español de temas de actualidad relacionados con la química verde aplicada a todas las áreas de la ciencia química.  

El objetivo es que este material escrito de forma sencilla y clara sea una herramienta de preparación para los profesionales de la química, en su proceso de formación integral, esperando que no solo adquieran los conocimientos básicos sobre estos temas, sino también que se concienticen de la necesidad de aplicarlos de manera efectiva en el quehacer diario de su desempeño profesional con un claro sentido de responsabilidad cívica.

• Idioma: Español
• Editorial: Ediciones UIS
• Fecha de lanzamiento: 3 nov 2022
• ISBN: 9786287549098

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Portada

Luz Ángela Carreño Díaz

Universidad Industrial de Santander

Facultad de Ciencias

Escuela de Química

Bucaramanga, 2022

Página legal

Química verde: conceptos básicos y aplicaciones

Luz Ángela Carreño Díaz

       Profesora, Universidad Industrial de Santander

© Universidad Industrial de Santander

Reservados todos los derechos

ISBN: 978-628-7549-09-8

Primera edición, noviembre de 2022

Diseño, diagramación e impresión:

División de Publicaciones UIS

Carrera 27 calle 9, ciudad universitaria

Bucaramanga, Colombia

Tel.: [phone], ext. 1602

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sin autorización escrita de la UIS.

Impreso en Colombia

Epígrafe

La vida es una aventura que se desarrolla en un mundo en el que nada es estático, y en el que aparecen sucesos impredecibles y apenas comprendidos, que a veces representan peligros que deben superarse. Lamentablemente, el hombre a semejanza del aprendiz de brujo ha desatado fuerzas potencialmente destructivas que pueden algún día escapar de sus dominios

René Dubos, médico y científico

Dedicatoria

A mi familia grande, especialmente a mi madre, a quien le debo todo

A mi familia pequeña, mis Franciscos, que son mi apoyo y mi impulso

Abreviaturas

Introducción

Durante el siglo XX la química cambió definitivamente la forma en que vivíamos y, aunque en muchos países se considera que este desarrollo nos trajo más daños que beneficios, sería muy difícil no contar hoy con la gran cantidad de medicinas desarrolladas por la industria farmacéutica, como los analgésicos para aliviar el dolor, los antibióticos para curar las infecciones o medicinas para el corazón o el cáncer, entre muchas otras.

Los grandes desarrollos impactaron todas las actividades de nuestras vidas, si pensamos por ejemplo en el transporte, no solo en lo que se refiere a los combustibles, sino también en los convertidores catalíticos o en los plásticos que se han introducido en ellos para reducir su peso y mejorar su eficiencia. O en las fibras desarrolladas para elaborar tejidos como el nylon, los impermeables y los colorantes que permiten teñirlos, los materiales deportivos hechos más livianos y resistentes o la industria de empaques, y así sucesivamente. No solo debemos valorar el impacto de estos desarrollos en nuestro bienestar diario, sino también los millones de dinero invertidos en las industrias que manufacturan todos estos productos y, más importante aún, los millones de personas empleadas en ellas.

Aunque en general no se niega el papel de la química en el avance de la civilización humana, la percepción actual es que todos estos desarrollos también han significado un alto costo a la salud humana y han impactado negativamente en el medio ambiente a nivel global, ya que muchas sustancias químicas tóxicas han logrado introducirse en la cadena alimenticia y hacen parte de los diferentes ecosistemas.

La polución, el calentamiento global, el cambio climático y la crisis energética son los problemas que más preocupan a los gobiernos y a la comunidad científica, ya que se ha llegado a un punto crítico en el que se acepta que la industria del petróleo ha sido la generadora de buena parte de estos problemas y, por tanto, se debe reducir el uso de combustibles de origen fósil, emplear materias primas renovables y benignas, y en general concientizarnos sobre la necesidad de que los productos de uso diario sean biodegradables y reciclables. Desafortunadamente todavía no se cuenta con fuentes de energía alternativas con costos razonables que reemplacen al 100 % el petróleo y sus derivados, y es por esto que se usan técnicas como el fracking para seguir extrayendo crudo de los pozos petroleros.

Es claro que la sostenibilidad del planeta se debe lograr si la especie humana quiere sobrevivir con los estándares de vida actuales. Los químicos y la ciencia química tienen un papel primordial en el logro de esta sostenibilidad, pero como estos actores del problema no pueden lograr este objetivo solos es vital que los no-químicos entiendan los conceptos básicos de la química verde y cómo estos principios se pueden usar para salvar el planeta, garantizar nuestra sobrevivencia, pero también la de todas las formas de vida que aquí habitan.

La química verde y sus principios tienen aplicación en todas las ramas de la química, aunque se ha concentrado en el área de síntesis y en particular en la síntesis orgánica, ya que uno de sus principales objetivos es que los compuestos químicos se sinteticen a partir de materias primas renovables y sean benignos, pero necesita hacerse extensiva a las demás áreas.

Con el fin de actuar en todos estos frentes es necesario considerar las cinco esferas del medio ambiente que se solapan entre sí, ya que están íntimamente ligadas, a saber: la biósfera, la hidrósfera, la geósfera, la atmósfera y la quinta sería la antropósfera o tecnósfera, que corresponde a la parte del planeta que involucra todas las actividades, sistemas tecnológicos y económicos que los humanos fabrican para satisfacer sus necesidades, que están directa e indirectamente soportados por el entorno natural y que, para bien o para mal, son una parte integral del sistema tierra.

Este libro es una revisión en español de temas de actualidad relacionados con la química verde aplicada a todas las áreas de la ciencia química. Todos los científicos involucrados en estos temas de interés ambiental coinciden en la necesidad de educar a todo nivel para lograr la concientización de la población, ya que todos podemos aportar a la solución con pequeñas o grandes acciones en nuestro día a día. El objetivo es que este material escrito de forma sencilla y clara sea una herramienta de preparación para los profesionales de la química, en su proceso de formación integral, esperando que no solo adquieran los conocimientos básicos sobre estos temas, sino también que se concienticen de la necesidad de aplicarlos de manera efectiva en el quehacer diario de su desempeño profesional con un claro sentido de responsabilidad cívica.

En el primer capítulo se analiza la importancia de la ciencia química, en el segundo capítulo se presentan las definiciones de conceptos básicos como química ambiental, química verde, los principios de la química verde, la ingeniería química verde, los compuestos químicos verdes, economía atómica, ecología industrial, la métrica empleada en la química verde, huella de carbono y esmog fotoquímico.

En el tercero y el cuarto capítulos se revisan los problemas de contaminación ambiental que en la actualidad están afectando el aire, el agua, los suelos y en general al medio ambiente, así como lo relacionado con el desarrollo de las energías alternativas y su importancia en la química verde.

En el quinto capítulo se presenta una revisión relacionada con los desechos tanto industriales como domésticos, las estrategias aplicadas para disminuir su generación y los tratamientos a los que se deben someter para evitar su impacto negativo en el medio ambiente.

Los capítulos sexto, séptimo y octavo presentan una revisión de las diferentes aplicaciones en las que se han logrado implementar los conceptos de la química verde como resultado de la investigación científica desarrollada en los últimos años en esta dirección, incluyendo la síntesis orgánica a partir de materiales renovables, el uso de la biomasa, el empleo de solventes verdes tanto en síntesis como en procesos de extracción y la preparación de materiales compuestos a partir de materias primas renovables con aplicación en captura de CO2 y extracción de metales pesados de aguas contaminadas.

La escritura de este libro ha sido una experiencia muy enriquecedora para mí, y agradezco a la Universidad Industrial de Santander el haberme permitido dedicar este tiempo a ampliar mi conocimiento en esta área que ha sido el objeto de mi investigación en estos años. En los últimos años hemos vivido en confinamiento como resultado de la pandemia del Covid-19, lo predicho por muchos científicos se ha hecho realidad, y un virus ha sido capaz de detener la actividad humana en el planeta. Hemos visto fotografías mostrando la recuperación de muchos ambientes naturales alrededor del mundo, pero por ejemplo una vez reanudada la actividad social y económica en China las concentraciones de CO2 en la atmósfera de sus ciudades industrializadas dos meses después están muy cerca de volver a los niveles de concentración que había antes de la pandemia.

Todos guardamos la esperanza de que este campanazo que nos ha hecho detenernos a pensar que el daño que le hemos causado al planeta realmente puede poner en riesgo nuestra supervivencia sirva para que lo tratemos mejor, para que los gobiernos y las grandes empresas tomen las acciones necesarias para hacer cumplir las regulaciones ambientales que ya existen Sin embargo, también debe servir para que nosotros como ciudadanos contribuyamos con pequeñas o grandes acciones, disminuyendo el consumismo, la generación de desechos, el uso desmedido de plásticos, para que aprendamos a reusar y dar segundas oportunidades a muebles, ropa y enseres del hogar y, en definitiva, para que cuidemos nuestra casa, ya que al menos por ahora es la única que tenemos.

Importancia de la ciencia química

La química es la ciencia de la materia. Se puede sentir temor ante la química y por ende tratar de evitarla, pero esto es imposible porque toda la materia, todas las cosas, el aire, el agua, los organismos vivos (incluyendo a los humanos) están hechos de compuestos químicos y necesitan compuestos químicos para sobrevivir. La química actúa de puente entre la física, la ciencia de los materiales y las ciencias de la vida. Únicamente los procesos químicos que alcanzan máxima eficiencia resultarán en productos y procesos más sostenibles, y para lograr esto se requiere de la formación de profesionales químicos conscientes, creativos y con actitud progresista.

La ciencia química en los últimos dos siglos se ha dedicado cada vez en mayor escala a la investigación de compuestos y materiales químicos que permiten crear productos para cada necesidad, mejorando la calidad de vida de nuestra sociedad. La industria farmacéutica ha desarrollado medicinas para una gran cantidad de enfermedades que han mejorado la salud y han prolongado la vida, los fertilizantes han incrementado la productividad agrícola y los semiconductores fueron el punto inicial del desarrollo tecnológico para el desarrollo de los computadores, los celulares y todas las herramientas tecnológicas con las que contamos en la actualidad. Es decir, sin el persistente esfuerzo de los químicos y la enorme productividad de la industria química y tecnológica que involucra muchos nuevos materiales no se hubieran alcanzado los altos estándares de vida de los que goza la sociedad moderna.

Pero tampoco se puede negar que estos mismos químicos han contribuido a la generación de un gran número de sustancias contaminantes y tóxicas, así como a la creación de materiales no biodegradables, ya que los objetivos fueron siempre crear procesos con alta productividad al menor costo. Pero esta filosofía ha cambiado, la ciencia química del siglo XXI debe tener claro que debe proveer los productos necesarios para mantener un estándar de vida razonable, de una manera viable económicamente, pero sin causar efectos colaterales dañinos al medio ambiente, y para lograrlo debe alejarse de procesos que requieran la explotación ilimitada de recursos o la creación de compuestos y materiales que atenten contra la supervivencia del planeta y la salud humana y, por el contrario, deben direccionar sus objetivos hacia la síntesis de compuestos benignos, biodegradables a partir de materias primas renovables y la implementación de procesos ambientalmente seguros, con el menor costo energético y la menor producción de desechos tóxicos.

La química inorgánica está relacionada con compuestos como el agua, esencial para la vida, el cloruro de sodio, presente en grandes cantidades en el agua de mar, o el dióxido de azufre, presente como contaminante en el aire. Sin embargo, la química del carbono ocupa un lugar muy importante dentro de la química por la cantidad y versatilidad de compuestos que puede formar, la gran mayoría de los 20 millones de compuestos conocidos son compuestos orgánicos. Desde sus inicios a mediados del siglo XX, en el área de síntesis, lo importante era crear nuevas rutas sintéticas, ser capaz de sintetizar los compuestos en las cantidades necesarias y con la pureza requerida. No hubo cuestionamiento sobre la peligrosidad o toxicidad de muchos de los compuestos que se usaron en los procesos desarrollados y particularmente en el potencial daño al medio ambiente; por aquella época la química ambiental era esencialmente desconocida y el manejo apropiado de los residuos no era de interés, ya que se pensó erróneamente que el planeta era capaz de absorber ilimitadamente estos contaminantes y recuperar el equilibrio por sí solo. Los incidentes de contaminación que sucedieron, que fueron muchos y severos, se aceptaron como el costo para lograr el bienestar. Hoy los químicos tienen un rol muy importante en la prevención, educación y remediación en todo lo concerniente a la contaminación ambiental, no como una carga pesada sino como una oportunidad para contribuir a salvar nuestro planeta.

Los procesos que ocurren en el ambiente son mucho más complejos cuando se comparan con los procesos industriales, y esto es debido a que los procesos naturales son cíclicos e involucran interacciones entre las cinco esferas ambientales. Tradicionalmente, la ciencia ambiental ha considerado cuatro esferas, es decir, la hidrósfera, la atmósfera, geósfera y la biósfera, o agua, aire, tierra y vida, y las actividades humanas han sido generalmente vistas como perturbaciones indeseables sobre las cuatro esferas, causantes de la polución y los efectos adversos sobre la naturaleza. Sin embargo, Stanley Manahan (2006) en su libro Green Chemistry and the Ten Commandments of Sustainability propuso incluir la quinta esfera, la antropósfera, también conocida como tecnósfera. El autor considera que, incluyendo la quinta esfera como una parte integral del medio ambiente, los humanos podemos modificar las actividades antropogénicas, de tal forma que causen mínimo daño al ambiente, o inclusive que lo mejoren.

La figura 1 ilustra las diferentes interacciones entre las cinco esferas del medio ambiente, se ha incluido la antropósfera en el centro de la figura para mostrar cómo esta esfera ha interactuado negativamente con las otras cuatro, generando contaminación y polución a tal grado que la sostenibilidad del planeta hoy por hoy está en riesgo.

La atmósfera es la capa gaseosa que cubre la tierra, provee el oxígeno para los organismos vivos, el dióxido de carbono que las plantas requieren para la fotosíntesis y el nitrógeno necesario para la síntesis de proteínas. Adicionalmente, la atmósfera tiene una función vital de protección, ya que absorbe la radiación ultravioleta de alta energía que viene del sol y que ocasionaría la muerte a los organismos vivos si estuvieran expuestos a ella. Esta función está relacionada con la capa de ozono estratosférica que absorbe los rayos UV dañinos que provienen del sol. La tierra estabiliza su temperatura liberando el calor que absorbe del sol gracias a la atmósfera que redistribuye el calor recibido del sol en la zona ecuatorial, además de que transporta el vapor de agua que se genera por evaporación formando las nubes que al ser desplazadas por el viento lo precipitan en forma de lluvia.

El agua de la tierra está contenida en la hidrósfera, de la cual el 97 % corresponde a agua salada contenida en los mares y océanos. Del 3% restante una buena parte está congelada formando los casquetes polares y glaciares, y solo una pequeña cantidad corresponde a agua dulce disponible para las plantas, los organismos vivos, la industria y el hombre. Esta agua se encuentra en lagos, ríos, quebradas, lagunas, nacimientos y aguas subterráneas.

Figura 1. Interacciones entre las esferas del medio ambiente, en la que se ha incluido la tropósfera (modificada con permiso de Manahan, 2006)

La geósfera es la parte sólida del planeta que incluye rocas, suelos y minerales. Los suelos corresponden a la parte superficial que soportan las plantas, son la base de la cadena alimenticia de los organismos vivos y hacen parte de la litósfera que comprende un casquete desde la superficie hasta una profundidad de 50-100 km.

La parte más superficial de la litósfera está compuesta de minerales livianos basados en silicatos; esta es la parte de la geósfera disponible para interactuar con las otras esferas y es la accesible a los humanos.

La biósfera está compuesta por todos los organismos vivos, la gran mayoría de los cuales viven sobre el suelo de la geósfera, algunos viven dentro del suelo y algunas otras especies viven a profundidades considerables en el suelo de los océanos. En general, aunque la biósfera es una capa muy fina que corresponde a una interfase entre la geósfera y la atmósfera, esta esfera interacciona activamente con la geósfera, la atmósfera y la hidrósfera en ciclos biogeoquímicos en los que elementos como el nitrógeno y el carbono y compuestos como el agua son recirculados.

La antropósfera ha entrado en interacción con las otras esferas a través de las actividades humanas que incluyen, citando solo algunos ejemplos, la modificación que se ha hecho a la geósfera a consecuencia de la agricultura con el uso de abonos, herbicidas y pesticidas, la construcción de hidroeléctricas que han desviado el cauce natural de los ríos, la descarga de desechos industriales y domésticos gaseosos, líquidos y sólidos, la colonización de los ecosistemas de muchos animales que se han quedado sin espacio para vivir y sin alimento, la emisión de grandes cantidades de CO2 a la atmósfera como resultado de la quema de combustibles fósiles que ha saturado la capacidad de absorción de calor de la atmósfera generando el calentamiento global con aumento de la temperatura y que está ocasionando el deshielo de los casquetes polares, estas son algunas de las acciones del hombre que han perturbado los ciclos biogeoquímicos.

Otra consecuencia importante de las perturbaciones generadas por el hombre, en este caso con la biósfera, ha sido la pérdida del equilibrio entre los seres vivos, y en consecuencia están apareciendo nuevas enfermedades. Los seres humanos olvidamos que vivimos o cohabitamos el planeta tierra con las plantas y los animales, y esto incluye bacterias, virus, parásitos y hongos, con los cuales debemos mantener un equilibrio o balance, respetando el hábitat de cada uno para evitar la aparición de nuevas enfermedades.

Por ejemplo, nosotros estamos colonizados por miles de millones de bacterias y posiblemente virus que viven en nuestro aparato digestivo, sin hacernos daño y más bien contribuyendo a la mejor absorción de vitaminas y otras sustancias. Los bacilos coli impiden, cuando están en proporción normal, que otras bacterias como las salmonelas y los anaerobios proliferen en exceso en el intestino. Si tomamos antibióticos, destruimos las coli, y en consecuencia pueden presentarse serias diarreas por proliferación de las otras bacterias o virus.

Ahora existen una serie de enfermedades mortales que hasta hace pocos años no se conocían, como las producidas por el virus del sida, el hantavirus, el ébola, el virus de Hong Kong, el virus del Nilo y la enfermedad de las vacas locas, una encefalitis del ganado vacuno que se trasmite supuestamente por la ingesta de carne contaminada y sus derivados, y que no es producida por un virus o bacteria, sino por un fragmento proteico llamado prion. Éste produce una proteína extraña que lesiona el cerebro pudiendo afectar al ser humano. Como no conocemos cómo diagnosticarla tempranamente y tampoco hay tratamiento, la única alternativa para evitarlo es ser vegetarianos. Debemos señalar que ya desde hacía más de un siglo se conocía una encefalitis que afectaba a las ovejas llamada el scrapie, sin buena traducción al castellano y que hoy sabemos era provocada por un prion, pero en este caso no se trasmitía a las personas.

Lo anterior parece poner en evidencia que la activación de virus, bacterias y priones, que anteriormente estaban en la naturaleza afectando, como parásitos, a plantas, ratas, aves, monos y otros mamíferos incluso sin causarles lesiones, ahora provocan graves y mortales enfermedades en las personas, esto se debe posiblemente a la alteración del ambiente causado por el hombre con la deforestación de los bosques y selvas, la contaminación de los ríos y la atmósfera, así como la existencia de grandes ciudades con hacinamiento y focos de suciedad y pobreza. Esto ocasiona la migración de parásitos, virus, bacterias y priones de sus huéspedes naturales hacia nuevos huéspedes como mosquitos, ratas, gatos y perros de ciudades e incluso al ser humano.

Otro problema está constituido por la facilidad del transporte aéreo que facilita que personas enfermas se trasladen de un extremo a otro de la tierra e infecten a desprevenidas poblaciones enteras inicialmente con cuadros gripales, pero que evolucionan en enfermedades más graves. Hay que recordar que en 1918 y 1919 una epidemia de influenza española se extendió por todos los países y mató 25 millones de personas en el mundo; en la actualidad, esto podría ser una cifra pequeña, si aparece una epidemia de un tipo que no se pueda controlar.

Aunque para muchos hay una correlación directa entre la contaminación ambiental y los problemas de salud actuales, cuando se aplican estadísticas no es fácil llegar a conclusiones definitivas y son estos resultados ambiguos los que permiten que muchos sectores económicos todavía pongan en duda la criticidad de los problemas ambientales. Los estudios muestran que los efectos de la polución afectan más a los niños y a los adultos mayores que a los adultos, o que son más devastadores en comunidades y países pobres que en comunidades o países ricos, pero que los países desarrollados no están exentos de estos problemas, ya que a mayor industrialización, mayor cantidad de vehículos circulando, y a mayor desarrollo agrícola se producen más emisiones de gases de efecto invernadero, así como más uso y descarga de sustancias tóxicas al medio ambiente, etc.

Mike Lancaster en su libro Green Chemistry: An Introductory Text argumenta que los problemas ambientales del planeta son consecuencia de las sociedades que han buscado alcanzar su desarrollo en corto tiempo basados únicamente en el aspecto económico. Para él se requiere, como ya se hace en Europa, que las regulaciones de protección ambiental estén integradas a las políticas económicas, y para lograrlo se deben implementar actividades económicas armoniosas, balanceadas y sostenibles en una situación de gana-gana en la que el crecimiento económico vaya de la mano con la protección ambiental. Esto es importante ya que muchas empresas se niegan a la aplicación de la química verde argumentando que se quiere aplicar un retroceso industrial y que cambios en sus procesos químicos generarían unos costos económicos que no pueden asumir.

Otro punto de vista interesante es el que considera que es normal que el hombre haya causado daño a la naturaleza para dominarla y para buscar su bienestar, que debía hacerlo para sobrevivir considerando que no es la especie más fuerte, que el clima en la Tierra siempre ha sido cíclico, que el cambio climático es un fenómeno natural y que el problema es cuánto lo acelera y radicaliza la actividad humana. Por