Gases y líquidos con doble personalidad....y “verdes”

Hoy va de Química Física pura y dura pero con divertimento florido. Dice mi chica que no hay nada mas gris que un catedrático de Química Física y, como casi siempre, doy la razón a la patronal. En este caso, la constatación de lo oportuno de su análisis surge tras una rigurosa revisión a la que he podido someter a los colegas con los que he compartido tesis y oposiciones y contrastada finalmente con una cuidadosa autopalpación del que os escribe. En fin, allá vamos.

Si coloco un pedazo de hielo recién sacado del congelador en un recipiente, lo pongo sobre el fuego y comienzo a calentarlo con suavidad, el hielo empieza a convertirse en agua. Si pongo un termómetro en esa mezcla de hielo y agua puedo comprobar que la temperatura permanece en cero grados mientras agua y hielo están presentes. Cuando este último desaparece, si sigo manteniendo el cazo sobre el fuego, comprobaremos que la temperatura del agua empieza a subir hasta llegar a cien grados. A esa temperatura, más o menos, el agua empieza a hervir y mientras hierve, la temperatura se mantiene constante, hasta que todo el agua líquida desaparece y el vapor que ese agua produce ha pasado a la atmósfera.

Hasta aquí, no creo que nadie que me lea, por muy de letras o ciencias sociales que sea, tenga problemas en entender lo que acabo de relatar. Es algo ligado a nuestra percepción cotidiana de lo que es la fusión del hielo o la ebullición del agua líquida. Los mas avispados probablemente habrán comprendido durante su experiencia vital que eso que pasa con el agua, pasa de hecho con muchas otras sustancias como el alcohol de farmacia o la acetona que sirve a nuestras chicas para quitarse el esmalte de sus uñas.

Pero no todas las sustancias son tan monocordes en esa transformación que pasa del sólido al líquido y de éste al vapor como consecuencia de ir calentándolos. El dióxido de carbono (CO2), la sustancia que en forma gaseosa expiramos en cada uno de nuestros actos respiratorios es, en ese sentido, un “bicho raro”. Por debajo de unos ochenta grados bajo cero el CO2 es un sólido blanco, bastante atractivo visualmente que, sin embargo, al ponerlo en el mismo cazo en el que poníamos el hielo y ejecutar las mismas maniobras de calentamiento, pasa directamente de sólido a la atmósfera sin el interludio de un líquido en el fondo del recipiente. Por eso se le conoce, y se usa, como hielo seco. Eso ha permitido que Juanmari Arzak y sus muchachos, que enseguida entendieron mis explicaciones sobre esta sustancia en idénticos términos a los que os acabo de dar, pusieran sus magines a elucubrar y aprovecharon esas características del CO2 sólido para preparar inteligentes combinaciones en forma de deliciosos postres que, además de agradar las papilas gustativas de sus clientes, proporcionan divertidas sensaciones visuales.

Pero todo lo que os acabo de explicar pasa bajo la presión atmosférica, el cielo que el jefe de Astérix y Obélix siempre teme que se derrumbe sobre nuestras cabezas. En condiciones de presión más bajas como las que puede haber en la punta del Everest, las temperaturas a las que el hielo se transforma en agua y ésta en vapor son muy distintas. Eso lo saben bien los montañeros que han pasado temporadas en campos base y que han comprobado que el agua en ebullición necesaria para cocer un huevo está a temperaturas inferiores a cien grados y que los huevos tardan mas en cocerse como Dios manda.

También las transformaciones del CO2 del Gabinete Arzak cambian si no nos encontramos bajo la presión atmosférica. Si viviéramos en un mundo en el que la presión fuera unas cinco veces la que ahora tenemos en nuestra casa, el CO2 sólido a bajas temperaturas se transformaría en un líquido al subir ésta y posteriormente en gas o vapor como hace el agua en nuestras cocinas.

Ya veis, por tanto, que la presión es una variable algo olvidada en nuestro mundo cotidiano pero a la que se le puede sacar mucho jugo. De hecho, las ollas a presión consiguen que en su interior, un poco por encima de la presión atmosférica, el agua hierva a más de cien grados y las cosas se cocinen más rápidamente. Vamos a deleitarnos un poco mas con esa variable.

Un comportamiento general de los gases es que cuando se someten a presión se transforman en su homónimo líquido. Un ejemplo cotidiano nos los proporcionan nuestros encendedores de un 1 € (que, dicho sea de paso, cualquier día acabarán en la lista de objetos prohibidos de la ministra Salgado por aquello de ser herramienta de fumadores blasfemos). Esos mecheros contienen butano en su interior, a presiones de unas tres veces la atmosférica. Como consecuencia de ello el butano está en el interior en forma líquida, como puede verse sin más que poner el mechero al trasluz. Y ese comportamiento es general para todos los gases, aunque haya que buscar la temperatura y presión adecuadas para licuarlos.

Otro comportamiento general de todos los gases es que, por encima de una temperatura llamada temperatura crítica, y por mucho que subamos la presión del gas, éste se resiste a ser licuado. Los gases que se encuentran por encima de esa temperatura crítica se dice que están en estado supercrítico, entendiendo por tal un estado en el que el gas participa de alguna forma de su estado como tal y del estado líquido que está muy cerca de conseguir y no puede. En un símil teológico, el gas es un trasunto del líquido, un “vivo sin vivir en mí”. Por esa razón, en esas circunstancias, se prefiere hablar de fluidos supercríticos, ni gases ni líquidos, una especie de estado indefinido, híbrido, hermafrodita o como queráis llamarlo.

El caso es que estos fluidos, en este estado tan particular, se han revelado recientemente como unos disolventes potentes y, en los casos más empleados, bastante ecológicos. Y así, el mismo CO2, al que tanto estamos citando, tiene una temperatura crítica de unos 31ºC. Por encima de esa temperatura y de una presión de unas setenta y tres veces la atmosférica, el CO2 está en condiciones supercríticas en las que, por ejemplo, tiene sorprendentes capacidades de disolver a sustancias polares como el metanol o la cafeína.

Hasta los años 80, eliminar la cafeína del café implicaba tratar a éste con disolventes orgánicos como el diclorometano, otro disolvente de la cafeína. Los potenciales efectos adversos en la salud de los disolventes clorados, aunque nunca se han reportado problemas con el café descafeinado con diclorometano, ha hecho que el uso del CO2 supercrítico se haya convertido en la nueva herramienta. En el proceso, los granos de café sin tostar se alimentar en contracorriente con el CO2, manteniendo el reactor en condiciones supercríticas. El gas extrae selectivamente la cafeína que posteriormente se separa con ayuda de agua en una zona de baja presión. La cafeína así obtenida se emplea en productos farmacéuticos y en bebidas sin alcohol (pero con cafeína); el CO2 se realimenta en el reactor de la extracción.

Similares procesos emplean CO2 supercrítico para extraer aceites esenciales de plantas o para desengrasar alimentos fritos como las patatas de los snacks. También se ha empleado CO2 supercrítico en procesos de limpieza en seco, reemplazando de nuevo a disolventes clorados que se han venido utilizando hasta ahora.

Otro ámbito del CO2 supercrítico es su empleo como medio en el que realizar reacciones de polimerización, eliminando así las incómodas presencias de los disolventes tradicionales, que luego hay que eliminar del polímero obtenido mediante procesos tediosos y que además contribuyen a la emisión de VOCs (sustancias orgánicas volátiles) a la atmósfera. Se han polimerizado así polímeros acrílicos, polímeros fluorados, PET (el plástico de las botellas) y nuevos tipos de policarbonatos. Incluso he visto en la literatura el empleo del CO2 supercrítico en polimerizaciones catalizadas por enzimas, que funcionan como tales catalizadores en estas condiciones y no en disolventes convencionales.

Mucho menos extendido está el empleo de vapor de agua supercrítico, probablemente porque para conseguir ese especial comportamiento con el agua hay que subir la temperatura por encima de 375ºC y la presión por encima de 218 atmósferas, lo cual empieza a no ser una broma desde el punto de vista de los recipientes necesarios. Sin embargo, muchos metales y piedras preciosas se han generado en la naturaleza bajo condiciones de presión y temperatura elevadas en movimientos tectónicos, por lo que no es de desdeñar que el uso de agua supercrítica pueda reproducir esas condiciones y conducir a resultados interesantes. Por ahora, el más conocido es la síntesis de cristales de cuarzo para teléfonos móviles, haciendo reaccionar sílice e hidróxido sódico a 400ºC y 700 atmósferas.

En la mayor parte de estos procesos, el problema es que el agua en esas condiciones es extraordinariamente agresiva con los reactores de acero inoxidable. Afortunadamente, en el proceso que acabamos de describir, un componente inerte, un silicato de hierro y sodio forma una especie de recubrimiento protector en el interior del reactor y facilita las cosas. Ese mismo carácter fuertemente oxidado ha hecho pensar que el agua supercrítica pudiera utilizarse eficientemente en la eliminación de disolventes orgánicos dañinos como hibrocarburos aromáticos, los bifenoles clorados o la propia piridina. El problema esta en el costo de los reactores a emplear. Pero todo se andará.......