La energía de microondas es una alternativa a los métodos convencionales de síntesis química. Un equipo de investigación de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid (UCM) está desarrollando métodos sintéticos con microondas para derivados de rutenio, obteniendo excelentes resultados en selectividad y rendimiento.
Cuando el profesor Hertz construyó en 1888 un dispositivo para demostrar la existencia de las ondas electromagnéticas predichas por Maxwell, sus alumnos, entusiasmados ante el descubrimiento, le preguntaron sobre las posibles aplicaciones de estas ondas. La respuesta de Heinrich Hertz fue: «Supongo que ninguna». No podía imaginar que, poco más de un siglo después, los hornos microondas, las redes WiFi, los navegadores GPS y los teléfonos móviles funcionarían gracias a las microondas.
Las microondas son un tipo de radiación electromagnética con frecuencias de 300 MHz a 300 GHz, o longitudes de onda desde 1 m a 1 mm, que hoy en día se usan en campos tan diversos como las telecomunicaciones (telefonía, radio, satélites, dispositivos inalámbricos y navegadores), la detección de objetos (radares), algunas técnicas espectroscópicas de diagnóstico médico o la radioastronomía. Sin embargo, quizá su aplicación más conocida sea el horno microondas doméstico.
La utilidad de las microondas para calentar alimentos se descubrió casualmente a mediados del siglo XX. Percy Spencer, un ingeniero norteamericano, comprobaba dispositivos para radares cuando notó cómo una chocolatina que tenía en su bolsillo se derretía al situarse delante del generador de microondas. Pensando que podía deberse a la acción de estas ondas, probó a colocar unos granos de maíz y, a los pocos segundos, observó cómo se convertían en palomitas. Al cabo de tan solo unos meses, la compañía para la que Spencer trabajaba solicitó una patente y comenzó a fabricar hornos microondas para cocinar alimentos.
Los hornos microondas domésticos actuales generan ondas con una frecuencia de 2,45 GHz (o longitud de onda de 12,24 cm) que pasan a través de los alimentos. El agua, las grasas y otras sustancias polares absorben estas ondas y se calientan mediante un proceso llamado calentamiento dieléctrico: el campo eléctrico de las microondas cambia constantemente, lo que provoca que estas moléculas polares se muevan rápidamente al tratar de alinearse con el campo y, como consecuencia, aumenta la temperatura.
Este efecto de calentamiento por acción de las microondas puede ser muy útil en un laboratorio de investigación. En el grupo del Departamento de Química Inorgánica I de la Facultad de Ciencias Químicas de la UCM que dirige el profesor Reyes Jiménez Aparicio[1] se utiliza este método para suministrar energía en la síntesis de derivados de rutenio. Se está probando su efectividad tanto en la obtención de nuevos materiales como en la optimización de algunas reacciones que tradicionalmente suponen un proceso de varios días, un gasto energético elevado y una gran cantidad de disolventes. Las reacciones activadas con microondas pueden completarse en solo unos minutos (con el correspondiente ahorro energético), en un volumen muy pequeño de disolvente y disminuyendo, o incluso suprimiendo, alguno de los reactivos imprescindibles en otros métodos. Otro efecto frecuente de estas ondas en los procesos químicos es el aumento de la selectividad: en las reacciones que producen una mezcla de varias sustancias, el uso de microondas suele favorecer la formación de un único producto final, evitando los procesos de separación del compuesto buscado. La selectividad de las reacciones y el ahorro de reactivos y disolventes conllevan una reducción muy importante de residuos. Estas ventajas, junto con el ahorro energético, hacen de este método de síntesis uno de los preferidos en química sostenible o química verde, la cual se ocupa de la protección del medio ambiente con la búsqueda de procesos menos contaminantes y más eficaces energéticamente.
Izquierda: Gráfico comparativo de las condiciones de síntesis y el rendimiento del método convencional y mediante microondas; de arriba abajo, cantidad de disolvente, tiempo de reacción, número de pasos de la reacción y rendimiento del proceso. Derecha: Horno microondas adaptado para síntesis química
La capacidad de la energía de microondas para optimizar una reacción resulta espectacular. Como ejemplo, se puede mencionar la obtención de una familia de compuestos con fórmula [Ru2(N3R2)4]: para sintetizar estas especies de rutenio por métodos convencionales eran necesarios 200 mL de disolvente y 18 horas de reacción y, posteriormente, debía separarse y purificarse el producto final. En consecuencia, el rendimiento del proceso era menor del 50% y el tiempo total para obtener el producto puro era de varios días de trabajo. Mediante el uso de microondas se ha conseguido un rendimiento del 90% con 6 horas de calentamiento y menos de 10 mL de disolvente. El producto se obtiene puro y solamente es necesario filtrarlo y secarlo, por lo que disminuye considerablemente el tiempo total de preparación[2][3] . Otras reacciones llevadas a cabo en el mismo grupo de investigación han confirmado estas mejoras[4][5], pero se continua trabajando para conseguir tiempos de reacción aún más cortos y mayores reducciones de energía consumida y de residuos generados.
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Materia: CRF
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