miércoles, 17 de enero de 2018

Yo quiero ser Químico y Trabajar en la Industria Química - José Antonio Martínez Pons

Y yo quiero ser...Químico y Trabajar en la Industria Química
(Por José Antonio Martínez Pons)

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Un poco de historia

Intentar definir la química no es fácil. Incluso su nombre es misterioso, por ejemplo, hay quien piensa que “química” deriva de “khemeia” que a su vez deriva de “Kham”, nombre antiguo de Egipto. Por tanto, la química sería el “arte de los egipcios”. También podría significar “arte negro” en el sentido de arte oculto ya que los “químicos” guardaban secreto sobre sus artes. Otros sin embargo creen “khemeia” deriva del griego “khumos”, jugo, por tanto, la química sería el “arte de extraer jugos”. Ninguna de estas definiciones es del todo exacta. Realmente como ciencia en el sentido moderno, la química es una ciencia joven, pero el ser humano hizo química, sin saberlo desde los albores de la civilización, por ejemplo, cuando descubrió y utilizó los efectos que producía el fuego sobre muchos objetos como cocer la comida o convertir el barro en cerámica. También descubrió los tintes y las pinturas y hace uno milenios aprendió a dominar y a obtener los metales. Tanto es así que en muchas partes del mundo los forjadores eran sagrados y tenían paso libre en todas las fronteras. Era obvio que el pueblo que contaba con los mejores herreros tenía las mejores herramientas y las mejores armas. La Biblia narra que los filisteos, muy posiblemente griegos, dominaron a los israelitas hasta que Saúl fue capaz de conseguir armas de hierro y se pudo enfrentar a ellos en igualdad de condiciones. Resumiendo, desde los albores de la cultura el ser humano ha hecho química sin saber que la hacía.

Alquimia, alquimistas y otros personajes

La primera “química” fue lo que conocemos por alquimia. Realmente el alquimista no indagaba en el porqué ocurrían los fenómenos que estudiaba, el buscaba por un lado obtener el medio de convertir metales “corrientes” en oro y por otro encontrar algo, el elixir de la vida, que le garantizara la salud. Naturalmente en este camino envuelto en misterios (arte hermético) y solo para iniciados descubrió técnicas y sustancias químicas muy interesantes, pero este no era su objetivo final sino un camino hacia la gran obra. Los alquimistas chinos descubrieron la pólvora buscando la panacea ideal, y en occidente la invención de esta mezcla se atribuye al mítico monje alemán Bertold Schwartz. Otros o ellos mismos buscaban medicinas destilando y volviendo a destilar, es una etapa de la química llamada iatro química.

Fig. 1. Los cuatro elementos griegos y sus símbolos. Aristóteles añadió la quinta esencia.

Los alquimistas no se consideraban “científicos” sino “artistas”. Sus ideas básicas eran muy simples, aceptaba ya fuera la teoría griega de los cuatro elementos (aire agua tierra y fuego) y las cuatro cualidades (frio, caliente, seco y húmedo), o bien la del mercurio, azufre y sal, como constitutivos de la materia. Aceptaban siete metales que asociaban a los “siete” planetas. Cuando se fueron descubriendo nuevos metales no hubo problemas los nuevos metales se consideraban variedades de los existentes del mismo modo que “existen distintas variedades de manzanas”. Pensaban que los metales se “criaban” como los árboles, partían de una semilla que había que regar con el elixir adecuado. La transmutación por supuesto era posible.

¿Cómo permanecen ciertas ideas?

Estas ideas perduraron por más de mil años. Se puede decir que la química  actual nació a finales del siglo XVIII y principios del XIX, cuando Lavoisier, Dalton, Proust y Richter establecieron las cuatro leyes  ponderales de la química y Dalton propuso  el modelo atómico molecular de la materia. Por ejemplo todavía en 1637 se publicó el libro “El arte de los metales” escrito por el Licenciado Álvaro Alonso Barba, natural de Lepe y sacerdote en la parroquia de San Bernardo en La imperial Potosí,( hoy en Bolivia).

Fig. 2. Facsímile del libro “El arte de los metales”.

Donde describe todo lo que se sabía sobre mineralogía y metalurgia de su tiempo, incluidos los métodos extracción de los metales preciosos sobre todo la plata, sin embargo, don Álvaro era creyente en las teoría de los cuatro elementos y en la transmutación de los metales, es decir que con bases teóricas erróneas, consiguió procesos efectivos y prácticos es de destacar su método de los “cajones” para purificar plata. Entre otras “pruebas” propone que si se sumerge una lámina de hierro en una disolución de caparrosa azul (Fig. 3) el hierro se convierte en “cobre fino” En la figura se aprecia la disolución de caparrosa (sulfato de cobre) y una disolución análoga en la que se introdujo un clavo, trascurridas unas horas. Efectivamente el clavo desapareció y se recogió cobre, pero obsérvese el cambio de la disolución de azul a verde, lo que ocurrió fue simplemente una reacción red-ox. El cobre precipitó y el hierro pasó a la disolución.  Estas dos reacciones lo explican  Cu2+aq + 2e- -> Cu | ; Fe -> Fe2+aq + 2e-, es decir, que en resumen no ha habido transmutación sino un simple intercambio de electrones.

Fig. 3. Reproducción actual del experimento de Alonso.

Hoy la química para “hacer algo” se resume bajo los nombres de química técnica o química industrial. También “hacen algo” los farmacéuticos y mucho de lo que diremos es aplicable a ellos, pero se consideran como campos aparte. Lo cual no es obstáculo para que un químico desarrolle su profesión en un laboratorio farmacéutico.

¿Qué aspectos particulares tiene la química industrial?

Obviamente las leyes de la química y la termodinámica son las mismas sin embargo hay diferencias sustanciales:

Fig. 4. Planta petroquímica. Modelo de industria química pesada.

-La escala y los órdenes de magnitud, en el laboratorio en general se trabaja con cantidades pequeñas, del orden de los gramos, en la industria se trabaja con grandes cantidades, del orden de los centenares de kilogramos, incluso de toneladas de reactivos y productos.
-La calidad de reactivos, en el laboratorio normalmente se trabaja con sustancias puras o casi puras, en la industria se trabaja con materias primas.
-Lo mismo cabe decir de los productos, además muchas veces la pureza que se exige en estos puede no ser muy rigurosa, así por ejemplo no es lo mismo preparar un ácido clorhídrico para uso de laboratorio que para preparar un “sal fuman” como desatascador.
-Las variables, en la industria al revés que en el laboratorio las variables económicas tienen la misma categoría o mayor que las variables fisicoquímicas.

Estas diferencias desembocan en otras por ejemplo el almacenamiento y transporte de productos y reactivos.

Diseño de reactores y sus elementos periféricos   

Precisamente tanto el transporte de reactivos y productos como el propio diseño de los reactores y los diversos sistemas de calentamiento o evacuación del calor requieren un dominio de las leyes físicas correspondientes.

Productos y reactivos suelen presentarse en forma fluida, líquidos y gases, o pulverulenta y para su manejo se utilizan las leyes de la mecánica de fluidos que el ingeniero químico debe dominar. Concretando en la química propiamente dicha:

-Hay que tener en cuenta que procedimientos que funcionan muy bien en el laboratorio para un determinado objetivo, pueden no ser válidos en la industria y viceversa.
-Se debe controlar muy bien la cinética química, es decir la velocidad con que se producen las reacciones, así como las condiciones termodinámicas que pueden modificarlas.
-Tiene gran importancia los residuos y vertidos. En laboratorio son fáciles de controlar y de eliminar mediante campanas de gases, contenedores para llevar los residuos a un punto limpio, sin embargo, en la industria:
.-Las cantidades de residuos son muy grandes.
.-Pueden contener todavía productos de interés que deberían recuperarse.
.-Pueden ser peligrosos para el medio.
.-Su eliminación correcta en el mejor de los casos cuesta dinero.
-La ingeniería química es también una actividad económica y debe sacarse a los procesos el máximo rendimiento por tanto la economía de los procesos debe cuidarse al máximo y evaluar los costes de todo el proceso incluido transporte, almacenamiento, eliminación de residuos además tener en cuenta que estos pueden contener productos valiosos que no deben desaprovecharse.

¿Cómo se trabaja en la industria química?

Cada industria tiene su metodología, aquí se dan unas normas generales. Que más o menos son aplicables en términos generales.

Tenidos en cuenta todos los puntos que se han tratado antes, el procedimiento suele empezar por el diseño de la reacción o reacciones que interesan. Luego se hacen las pruebas necesarias a escala de laboratorio. A la vista de los resultados se estudia si la extrapolación a mayor escala, considerados todos los aspectos, es posible y rentable. Entonces lo normal es iniciar las pruebas en planta piloto.  Si los resultados son los esperados, se produce el paso a escala industrial y se inicia la producción definitiva.

¿Cómo trabajan los grandes reactores?

En química industrial se opera en general de dos maneras:
-Por cargas. Los reactivos se introducen en un gran reactor y se espera a que se produzca la reacción, se vacía el reactor se separan productos y restos y se recarga de nuevo el reactor.
-En proceso continuo.  Se trata de reactores en los cuales por una parte entran los reactivos y avanzan a lo largo del reactor mientras transcurre la reacción. Estos reactores no se paran nunca y en ellos es más fácil por ejemplo establecer recirculaciones.

Fig. 5.  Un viejo horno alto que transforma el mineral de hierro en hierro. Es uno de los más antiguos reactores industriales de régimen continuo.

En resumen

La química industrial es un mundo impresionante en el que confluyen la química, la física y la economía. A partir de materias primas producen sustancias   transformadas que luego se utilizaran, ya sea directamente, ya como materia prima, en otras industrias. Realmente sin darnos cuenta todos los días usamos decenas de artículos que han requerido la existencia de uno o varios procesos de química industrial. Por ejemplo, usamos jabón y perfumes, nos vestimos con tejidos sintéticos que posiblemente no hace mucho fueron petróleo, y que han sido teñidos con tintes sintéticos. Los artículos metálicos que usamos salvo unos pocos metales proceden de minerales de los que se han obtenido los metales, muchos de los artículos que utilizamos son de plástico. El agua ha sido tratada con productos químicos para garantizar su salubridad, el cuero de nuestros zapatos ha sido curtido con productos “químicos”… y todavía no hemos salido de casa. Así de importante es la industria química.

José Antonio Martínez Pons
Doctor en Química
Licenciado en Física

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