Descomponiendo el aire

En una anterior entrada homenajeaba la memoria de Fritz Haber con su síntesis del amoníaco, una forma de fijar y hacer accesible el nitrógeno del aire a las plantas y a los seres vivos que necesitan de él para mantener su propia existencia. Hoy nos vamos a dedicar de nuevo al aire, ese invisible que nos rodea y que ademas del nitrógeno mencionado (78%) lleva el oxígeno necesario para nuestra respiración (21%). El pequeño porcentaje restante lo comparten toda una serie de otros gases como el anhídrido carbónico, el argón y las contaminaciones gaseosas propias de cada lugar.

El propósito de la entrada es ilustrar cómo se consigue separar el nitrógeno y el oxígeno contenidos en el aire, las nuevas tecnologías existentes al respecto y los usos que a esos gases se les dan. La entrada tiene un componente de bajas temperaturas que viene al pelo en un día como el que hemos sufrido, viento sur, bochorno y demás inconvenientes derivados de un clima casi tropical.

Mis inteligentes lectores conocen por ciencia infusa que, a temperatura ambiente, oxígeno y nitrógeno son gases. Desde el punto de vista químico, se trata de sustancias de estructura muy sencilla, moléculas diatómicas representadas por las fórmulas O2 y N2. Para conseguir que esos gases se conviertan en líquidos hay que enfriar hasta temperaturas realmente bajas: -183ºC en el caso del oxígeno y hasta casi -196ºC para el caso del nitrógeno. O dicho también de otra manera, el oxígeno líquido hierve a -183ºC y el nitrógeno líquido a -196ºC. Los que hayáis visto un termo lleno de nitrógeno líquido habréis comprobado que está en perpetua ebullición debido a que el ambiente está mucho más caliente. Eso quiere decir que en el interior de ese líquido, la temperatura se mantiene en esos -196ºC, lo cual no es una broma. De hecho, los dermatólogos usan nitrógeno líquido para congelar de forma extrema y, por tanto, matar (el término quemar es algo equívoco) el tejido en la zona de pequeñas afecciones de la piel como verrugas y otras alteraciones.

Para separar el nitrógeno y el oxígeno existentes en el aire se ha usado tradicionalmente el método denominado destilación criogénica. Puestos a vulgarizar el tema, la cosa está chupada. Se coge aire, se enfría por debajo de -200ºC, con lo que los dos componentes esenciales se colocan en estado líquido y luego se empieza a subir lentamente la temperatura como cuando uno destila un orujo gallego. A -196ºC empieza a hervir el nitrógeno. Cuando éste cesa de salir, nuevos aportes de calor llevan al resto hasta -183ºC, temperatura a la que empieza a hervir el oxígeno puro. Al final, oxígeno casi puro por un lado y nitrógeno por el otro.

Contado así es un juego de niños, pero llevar el aire hasta -200ºC o más no es una cuestión baladí y, de hecho, hubo que esperar hasta 1872 para poderlo hacer en el laboratorio y hasta 1902 para hacerlo en gran escala. La teoría del proceso es, sin embargo, sencilla de explicar. Cuando un gas se comprime, aumentando su presión, y, posteriormente, se expande bruscamente a presiones mucho más bajas, el gas se enfría. Ese proceso es el que se repite de forma permanente en nuestros frigoríficos. El pequeño motor que llevan todos ellos es, en realidad, un compresor, que comprime el gas contenido en todo ese sistema de pequeñas cañerías que se ven en la parte trasera del frigorífico. Tras comprimirlo, el gas es expandido en ese mismo tipo de tuberías pero situadas en el interior del frigorífico. El gas así expandido se enfría, rebajando la temperatura de los alimentos contenidos en el frigorífico o congelador.

Si el proceso se repite muchas veces y se seleccionan las presiones de compresión y expansión adecuadas es posible licuar el aire que necesitamos como punto de partida para la destilación posterior que nos proporcione el oxígeno y el nitrógeno.

Los usos de estos dos gases son muy variados e importantes en nuestra actual civilización. La utilización del oxígeno está fundamentalmente basada en su imprescindible participación en los procesos de combustión, así como en aplicaciones en el ámbito médico. El oxígeno se usa puro o mezclado con aire, enriqueciendo así a este último en oxígeno, en procesos ligados a hornos y fundiciones de todo tipo, procesos de soldadura y corte de metal, etc. En muchas plantas químicas el oxígeno es una materia prima y en la fabricación de pulpa de papel puede emplearse como agente blanqueante. En hospitales, es un suministro obligado en la cabecera de muchas habitaciones como forma de salvar y proteger vidas.

El nitrógeno se usa sobre todo como gas en la citada síntesis del amoníaco. En estado líquido, se usa como refrigerante. Por ejemplo, en los equipos de Resonancia Magnética Nuclear empleados tanto en Medicina como en Química, el imán superconductor de los equipos tiene que trabajar a temperaturas que rondan el punto de ebullición del helio líquido (-268ºC). Con esa temperatura de ebullición, el helio se evapora a velocidades extremas y, para evitarlo, el tanque que lo contiene se encierra dentro de otro en el que el nitrógeno líquido actúa a modo de camisa térmica del anterior.

En los últimos tiempos, el uso de nitrógeno líquido en restaurantes con estrellas se ha convertido en una especie de fetiche de modernidad e innovación. Y en espectáculos con un aire de intriga se deja evaporar nitrógeno líquido mezclado con agua. La temperatura del nitrógeno que se evapora es tan baja que llega a licuar al vapor de agua que de forma continua se escapa del agua líquida, generando una niebla que todo lo invade.

Pero hoy las ciencias adelantan que es una barbaridad. Y frente a la opción de la destilación criogénica que he descrito más arriba, hay otras técnicas de separación de los gases fundamentales del aire que van poco a poco imponiéndose. En la foto del encabezado se ve a un operario de Air Products, una compañía americana, junto a largas fibras huecas de material polimérico empleadas como agentes de separación de gases y comercializadas bajo la marca PRISM. La idea básica de estos procesos de separación es fácil de explicar.

Los polímeros, cualquier polímero, no son impermeables a los gases. ¿La prueba?. Los globos y las ruedas se deshinchan, las botellas de Coca-Cola se quedan sin “chispa de la vida” si se almacenan durante mucho tiempo. Pero, dado un determinado polímero, la permeabilidad a través de él de diferentes gases puede cambiar bastante. Eligiendo adecuadamente el material, éste puede dejar pasar preferentemente a uno de los componentes de una mezcla como el y no a otros. Eso es lo que se hace con las fibras PRISM. Colocadas en módulos adecuados, éstos se alimentan con aire. El oxígeno entra por las fibras y atraviesa sus paredes hacia el espacio entre ellas, mientras el nitrógeno sigue la linea de las propias fibras. En un sólo módulo la separación no es total pero poniendo varios en serie se pueden conseguir purezas rayanas en el 100% para cada componente. El sistema es, por ahora, caro, pero mucho más sostenible que los procedimientos de destilación criogénica. Todo parece indicar que este tipo de membranas de separación se van a acabar imponiendo en muchos ámbitos.