Categoria: 10 en química

10

Biometà

De residu a energia

Es denomina biometà al gas metà (CH4) d’origen biològic. S’estima que només el bestiar boví en produeix 80 milions de tones anuals que s’alliberen a l’atmosfera. El biometà és suficient per cobrir el consum anual de gas natural domèstic de tot l’estat espanyol. Tot i ser el menys popular dels biocombustibles, és el més net i el de menor impacte ecològic. La producció i posterior combustió del biometà compleix amb totes les exigències d’una font d’energia ecològica i ajuda al compliment dels objectius 2020 de la Unió Europea. El biometà té potencial com a solució a múltiples problemàtiques socials, des de la gestió de residus urbans i agrícoles fins a la purificació de l’aigua i la millora de la qualitat de l’aire.

L’aplicació fonamental del biometà és la combustió per produir energia. En funció del grau de refinament del biometà, es pot emprar per diverses aplicacions energètiques de complexitat creixent. L’aplicació més barata i senzilla és la crema de biometà per calefacció. Fa molts anys que a països menys desenvolupats s’empren els gasos emanats dels residus agrícoles per tal d’obtenir biometà de baixa qualitat. El gas serveix per a l’autoabastiment de famílies senceres, especialment en entorns agrícoles. En un major grau de refinament, el biometà es pot emprar per a la cogeneració d’electricitat i vapor. Finalment, l’aplicació més futurista del biometà és la pila de combustible, però requereix una puresa superior al 99,5% per a un correcte funcionament.

El biometà procedeix de la depuració del biogàs
I quina és la química?

El biometà procedeix de la depuració del biogàs, una barreja de gasos producte de la fermentació bacteriana en condicions anaeròbies de residus orgànics d’origen divers. La digestió anaeròbia és un procés típic de depuració, de forma que trobem biogàs en el tractament de residus agrícoles, llots de depuradora, efluents industrials i residus sòlids urbans. La composició aproximada del biogàs és del 55 al 70% de metà, del 25 al 35% de diòxid de carboni i restes d’hidrogen i altres gasos. El biogàs es neteja de CO2 i dels altres gasos, convertint-se en biometà.

Un cop purificat, el biometà s’utilitza per obtenir energia per combustió, segons la reacció següent:

Reacció de combustió del metano

Com s’observa a la reacció, la combustió de biometà produeix diòxid de carboni. Aquest CO2 es considera, però, neutre des d’un punt de vista ambiental, ja que ha estat prèviament absorbit per la vegetació.

Quins conceptes ho expliquen?

La combustió és una reacció redox que allibera molta energia. L’entalpia d’aquesta reacció és molt elevada (-890 kJ/mol) i per tant podem aprofitar aquesta variació d’entalpia per transferir calor. Aquesta calor es pot fer servir tant per escalfar com per fer girar una turbina i generar electricitat, o per fer girar un motor i fer córrer un autobús.

Usos del biometà
EN LA COMBUSTIÓ S’ALLIBERA MOLTA ENERGIA QUE PODEM APROFITAR PER GENERAR CALOR
1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
9

Calor sense foc i fred sense gel

Aprofitant els canvis d’energia associats a les reaccions químiques

Des de fa més d’un segle, es desenvolupen, en el context de la indústria alimentària, diferents envasos per posar a punt (escalfar o refredar) els aliments que contenen, sense la necessitat de foc, de gel o d’altres fonts de calor o fred. Això permet disposar de menjar calent (o productes freds) en situacions d’emergència o en contextos allunyats de fonts d’energia accessibles.

L’envàs consisteix en tres cambres independents: una per al menjar que es vol escalfar i les altres dues contenen els productes químics necessaris per a dur a terme la reacció química que produirà o absorbirà la calor necessària per obtenir el menjar a la temperatura desitjada. El menjar i els productes que permetran el seu escalfament estan físicament separats per una paret metàl·lica conductora de la calor. Per la seva banda, els reactius estan separats per una membrana que es perfora en prémer un determinat punt de l’envàs. En accionar l’envàs, els reactius es barregen, produint-se la reacció química i la calor necessària per escalfar l’aliment. Si l’envàs refreda el contingut, el procés serà diferent i absorbirà calor fent abaixar la temperatura de l’aliment.

EN ACCIONAR L’ENVÀS, ELS PRODUCTES QUE CONTÉ REACCIONEN I ELS ALIMENTS S’ESCALFEN
I quina és la química?

Entre les diferents opcions existents, la reacció més emprada habitualment en els productes autoescalfables és la de l’òxid de calci amb l’aigua; donant com a producte de la reacció hidròxid de calci.

Les quantitats d’aigua i òxid de calci es mesuren per tal que produeixin un increment de temperatura de fins a uns 55 °C en la beguda o el menjar.

En el cas de productes autorefredables, els desenvolupaments són més recents. Entre els processos que es fan servir, hi ha l’evaporació de l’aigua continguda en un gel aquós i l’absorció de la mateixa per part d’un absorbent de zeolita. En aquest cas, l’energia necessària per evaporar l’aigua és retirada del producte alimentari, aconseguint d’aquesta manera un refredament d’uns 15 °C.

Quins conceptes ho expliquen?

El més important a tenir en compte és que, en qualsevol procés químic o fisicoquímic, es produeix un canvi energètic. La massa es conserva però l’energia canvia. El canvi energètic es converteix en una transferència de calor entre l’entorn i el sistema en reacció. Així, quan el procés allibera calor, parlem d’una reacció exotèrmica; en canvi, quan el procés absorbeix calor del sistema, ens hi referim com a una reacció endotèrmica.

En el cas dels envasos autoescalfables o autorefredables, els intercanvis de calor són els que posen els aliments a la temperatura òptima per al seu consum.

ÒXID DE CALCI AMB AIGUA ÉS LA REACCIÓ MÉS USADA EN ELS PRODUCTES AUTOESCALFABLES
Esquema d’un envàs autoescalfable tipus
1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
8

Química que dóna aigua

Dissenyant membranes per aprofitar les propietats col·ligatives

Nivells d’aigües subterrànies en descens, lleres de rius secs, embassaments buits, contaminació, malbaratament… L’escassetat d’aigua potable ja no és només un problema en països propensos a la sequera. Cada vegada són més els llocs industrialitzats on el consum d’aigua està augmentant més ràpidament del que els recursos disponibles poden subministrar. L’aigua és una qüesti. de seguretat i també motor econòmic. D’on trauran les ciutats l’aigua per beure, cuinar, rentar-nos i mantenir la higiene d’aquí a cinquanta o cent anys? Conjuntament amb la sensibilització ciutadana i mesures puntuals, es necessiten solucions globals i sostenibles per abordar el problema.

Els mars i oceans són les majors reserves d’aigua a la Terra. Durant dècades, la destil·lació tèrmica d’aigua salada s’ha fet servir per mantenir el subministrament en zones costaneres independentment de les condicions climàtiques; però a costa d’un elevat cost energètic. La tecnologia actual combina la neteja inicial de l’aigua de mar per ultrafiltració amb l’eliminació real de sals mitjançant osmosi inversa. Aquesta combinació ha permès la reducció de costos i ha convertir la dessalinització de l’aigua marina en una solució atractiva i eficaç.

LA DESSALINITZACIÓ ÉS UNA SOLUCIÓ EFICAÇ PER PAL·LIAR L’ESCASSETAT D’AIGUA POTABLE
I quina és la química?

Les membranes d’ultrafiltració consisteixen en unes fibres polimèriques amb uns fins capil·lars pels quals es fa passar l’aigua del mar a pressió. En les seves parets, les fibres tenen porus extremadament petits capaços de retenir partícules suspeses com sorra, sediments, algues i fins i tot microorganismes.

D’aquesta manera, només l’aigua purificada emergeix de nou a l’exterior de les fibres. A continuació, en l’osmosi inversa, l’aigua es fa passar per una segona membrana composta per capes de gruix molt fi. Aquestes capes confereixen resistència a la membrana per aguantar les altes pressions necessàries per fer passar l’aigua en contra de gradient. Una petitíssima mida de porus en la capa de barrera les fa impermeables al pas d’ions i molècules.

Membrana d’ultrafiltració UF inge Multibore® de BASF
Quins conceptes ho expliquen?

Les propietats col·ligatives expliquen com petites quantitats d’un solut no volàtil en una solució alteren el seu comportament. Entre els fenòmens derivats de les propietats, l’osmosi té molta importància a causa de la seva repercussió tant en fenòmens d’estabilitat i transport en l’àmbit cel·lular fins a processos quotidians com la conservació d’aliments. Espontàniament, l’aigua circula per equilibrar la concentració global dels soluts (força iònica) a cada costat d’una membrana semipermeable. Però si s’aplica una pressió suficient (major a la pressió osmòtica), es pot invertir el sentit de flux de l’aigua i obtenir aigua més pura.

Interior de la planta dessalinitzadora del Prat de Llobregat. Imatge cortesia de ATLL - Aigües Ter Llobregat – Barcelona
1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
7

Mengem aire?

De l'aire al plat, un equilibri amb molta química

Quin gust té l’aire? Gust de nitrogen, és clar. Prop del 80% de l’aire que respirem és nitrogen, un gas que per a la major part dels organismes vius és inert, però alhora indispensable, ja que és un component fonamental tant de les proteïnes com de l’ADN. Per tal que animals i plantes puguin utilitzar-lo cal fixar el nitrogen atmosfèric; és a dir, fer-lo reaccionar per introduir-lo com a element en una espècie química que pugui ser utilitzada pels éssers vius. Però aquest procés el saben fer molt pocs microorganismes.

A principis del segle XX, es va produir un avenç científic formidable: es va aconseguir fixar el nitrogen de forma artificial. El procés Haber-Bosch, reconegut amb els premis Nobel de química de 1918 i 1931, permet obtenir amoníac (NH3), el qual és fonamental per obtenir els fertilitzants necessaris en agricultura. D’aquesta manera, les plantes tenen una font de nitrogen, i es poden mantenir els conreus necessaris per abastir a la població mundial. I així, els àtoms de nitrogen de l’aire, ara convertits en amoníac i altres derivats, queden capturats dins de les plantes i es reparteixen per la cadena tròfica. Sens dubte, tot té una petita part d’aire, fins i tot l’amanida que sovint ens posem al plat.

L’AVENÇ CIENTÍFIC QUE VA FER POSSIBLE FIXAR EL NITROGEN DE FORMA ARTIFICIAL VA REBRE DOS PREMIS NOBEL DE QUÍMICA
I quina és la química?

El procés Haber-Bosch constitueix un dels exemples més clars de com es pot obtenir una molècula a partir dels seus components atòmics. Tot i que pot semblar fàcil, aquest procés va resultar ser un trencaclosques per als científics de principis del segle XX. Per tal que la reacció pugui donar-se, cal que el nitrogen en fase gas reaccioni amb l’hidrogen gas sobre un catalitzador a base de ferro:

Reacció de síntesi de l'amoníac
Quins conceptes ho expliquen?

La major part de les reaccions químiques són reaccions reversibles que tendeixen a estats d’equilibri. En equilibri, les dues reaccions procedeixen amb la mateixa velocitat. D’altra banda, les concentracions de reactius i productes que corresponen a l’estat d’equilibri depenen de les condicions ambientals (com temperatura i pressió).

En el cas de la síntesi de l’amoníac, els equilibris més desplaçats cap a la formació de productes s’obtenen en condicions d’alta temperatura i pressió. Quines característiques de la reacció fan que sigui així? La reacció és endotèrmica –absorbeix calor–, i els reactius contenen més molècules en fase gas que els productes.

1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
6

Quin mal de panxa!

Fent servir les reaccions àcid-base per a la nostra salut

En més o menys mesura, totes les activitats que realitzem de forma quotidiana requereixen d’una despesa d’energia. Aquesta pèrdua l’hem de recuperar periòdicament amb els àpats que realitzem al llarg del dia. Així, seguint estrictament la primera llei de la termodinàmica, transformem l’energia continguda en els nutrients que ingerim en energia útil per al nostre organisme, mitjançant la digestió.

Els sucs gàstrics de l’estómac –que contenen àcid clorhídric–, juguen un paper central en aquest procés, ja que són els responsables de produir el medi amb un pH proper a 1, necessari per trencar les molècules dels aliments en unes de més petites i més fàcilment absorbibles. Però, de vegades, aquest procés de digerir els aliments en medi àcid causa malestars, o fins i tot problemes de salut. En aquests casos, cal neutralitzar l’àcid amb una base com les sals de fruites. O bé reduir la concentració d’àcid amb una substància com l’omeprazole.

Actualment hi ha disponible un gran ventall de substàncies químiques útils per contrarestar l’acidesa gastrointestinal, mitjançant diferents estratègies, i ajudar-nos a poder gaudir d’un sopar sense cremor d’estómac. Per exemple, les sals de fruites contraresten la baixada sobtada de pH per mitjà de la seva reacció química amb els sucs gàstrics. Aquesta estratègia pal·lia de forma immediata els efectes d’un mal funcionament biològic però, tot i que efectiva, no serveix com a prevenció. D’altra banda, l’omeprazole és un compost químic que inhibeix una proteïna específica de les cèl·lules epitelials de les glàndules de la mucosa de l’estómac, reduint així la producció dels sucs gàstrics.

EL POSSIBLE MALESTAR CAUSAT EN LA DIGESTIÓ ES POT PAL·LIAR AMB UNA BASE COM LES SALS DE FRUITES
I quina és la química?

Les sals de fruites són formulacions químiques compostes principalment per carbonats i hidrogencarbonats (comunament anomenats bicarbonats) de sodi o de calci, que actuen directament augmentant el pH del medi per mitjà d’una reacció àcid-base de neutralització. Per exemple, la sal més emprada, l’hidrogencarbonat (o bicarbonat) de sodi, es combina amb l’àcid clorhídric (àcid fort) present a l’estómac, segons la reacció:

Quins conceptes ho expliquen?

La manera com podem definir els conceptes d’àcid i base ha estat àmpliament debatuda al llarg del temps i encara avui existeixen múltiples definicions que permeten descriure les propietats d’aquestes substàncies. Es pot considerar la capacitat que té una espècie química de dissociar-se per donar hidrons o ions hidròxid en dissolució aquosa (teoria d’Arrhenius). O, atenent a les reaccions de neutralització, es podria considerar la tendència de donar o acceptar hidrons com a criteri per identificar els àcids i les bases (teoria de Brønsted i Lowry o teoria de l’àcid-base conjugats). En qualsevol cas, un àcid incrementa la concentració d’hidrons en el medi de reacció i una base la redueix.

1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
5

Hàbits més sostenibles

L'objectiu dels plàstics fàcilment degradables

Els plàstics són el pal de paller de la innovació en la tecnologia química. Des dels anys 50 en endavant, empreses com BASF, Dow Chemical o DuPont han liderat aquesta revolució tecnològica, amb polímers com el polipropilè, el poliestirè o el policlorur de vinil. En l’actualitat, la recerca puntera lluita per aconseguir plàstics biocompatibles i biodegradables per reduir l’impacte ambiental d’aquesta revolució.

L’estructura polimèrica del plàstic té l’avantatge de fer-lo molt durador i resistent però té l’inconvenient de ser molt poc biodegradable. En els darrers 60 anys s’han llençat a la brossa més de mil milions de tones de plàstic que trigaran segles a degradar-se de forma natural. Darrerament, la recerca ha avançat molt en aquest aspecte i s’han dissenyat alguns plàstics biodegradables com els polilàctids, els poliglicòlids o les policaprolactones. Entre les seves aplicacions comercials destaquen sutures biodegradables, plàstic base per a impressores 3D o bosses per a residus urbans.

LA RECERCA ACTUAL SE CENTRA A ACONSEGUIR PLÀSTICS BIOCOMPATIBLES I BIODEGRADABLES
I quina és la química?

Els plàstics biodegradables són en general polièsters, en què els enllaços èster són hidrolitzats en presència d’aigua. La reacció trenca l’enllaç èster i descompon el plàstic en els seus monòmers fonamentals. La cinètica de degradació del polímer es pot modelar ajustant les proporcions dels diferents monòmers que componen el bioplàstic. Alguns bacteris són capaços d’accelerar aquesta degradació sintetitzant enzims que afavoreixen la ruptura dels enllaços èster. En degradar el polièster, el bacteri és capaç, literalment, d’alimentar-se dels monòmers. Es tractaria d’un procés similar al de menjar-nos un bistec tallant-lo en trossets més petits: el bistec seria el bioplàstic, el ganivet l’enzim, els petits trossos de carn els monòmers i nosaltres el bacteri.

Estructura del PLA (un bioplàstic)
Quins conceptes ho expliquen?

És clar que els polímers conformen una part important de la societat actual tal com la coneixem. També és cert que la utilització de materials plàstics ha provocat efectes ambientals nocius i que ens cal cercar polímers més adequats pel medi ambient. La biodegradabilitat d’un polímer depèn de quant fàcil és trencar els enllaços que s’han format entre els seus monòmers. I això depèn dels grups funcionals que apareixen en aquestes molècules. Els enllaços èster permeten obtenir una solidesa adequada al mateix temps que la facilitat de degradació necessària en condicions ambientals.

Vista microscòpica de la composició del plàstic biodegradable Ecovio® FS Paper de BASF
1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
4

Coixins de vida: els airbags

Quatre càlculs de química perquè tot funcioni

Des de mitjans dels anys 70 del segle passat, els coixins d’aire (airbag en anglès) formen part actualment de l’equipament estàndard de qualsevol turisme. Però, per exemple, aquesta tecnologia també s’ha incorporat a motocicletes, a equipaments esportius com roba d’esquí, i ha format part de l’actual recerca a Mart.

Com funcionen? Quan un vehicle té un accident de trànsit, l’impacte provoca un canvi sobtat de la velocitat del vehicle. Els ocupants, però, mantenen inicialment la seva velocitat i, per això, surten empesos en la direcció del xoc fins que alguna cosa pugui aturar-los. El moment de l’impacte es detecta a través de diversos sensors i un sistema electrònic avalua quins airbags cal inflar. S’activen els components corresponents, es genera gas i la bossa s’infla. Només han passat uns mil·lisegons des del xoc i ja tenim el coixí a punt per amortir l’impacte.

ELS COIXINS D’AIRE ES FAN SERVIR TAMBÉ A MOTOCICLETES, EQUIPAMENTS ESPORTIUS O, FINS I TOT, A LA INVESTIGACIÓ ESPACIAL
Els coixins d’aire també van servir per al descens suau de la sonda Mars Pathfinder. Imatge cortesia de NASA.
I quina és la química?

Fixem-nos que cal generar una quantitat determinada de gas molt rapidament i de forma controlada. La resposta la trobem en l’azida de sodi (NaN3), un compost estable però que quan s’escalfa a uns 550 kelvins (uns 277 graus centígrads) es descompon violentament i allibera dinitrogen, el gas que infla el coixí de seguretat.

Però la química no s’acaba aquí. Aquesta reacció produeix sodi metàl·lic, una substància molt reactiva i inestable. Per això, els coixins incorporen altres compostos com són el nitrat de potassi i el diòxid de silici. El nitrat de potassi reacciona amb el sodi per acabar formant una barreja d’òxids alcalins. Per últim, aquests es combinen amb el diòxid de silici per constituir una barreja de silicats alcalins de sodi i potassi, un producte estable i inert.

Descomposició de l'azida de sodi
Test de funcionament del coixins de seguretat
Quins conceptes ho expliquen?

Com ja hem vist, la base són unes reaccions químiques, fenòmens on es generen espècies químiques diferents de les de partida, que permeten explicar, primer, la formació d’un gas i, després, la formació d’una barreja estable d’òxids. Però no és suficient saber què passa, sinó que, per poder controlar el fenomen, cal poder estimar les quantitats de reactius necessàries perquè tot funcioni. Les lleis dels gasos i els càlculs estequiomètrics són la clau per poder dissenyar amb èxit aquests dispositius i molts d’altres. Per això serveix la química, per entendre i per calcular.

1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
3

Dur i resistent

Enllaç químic i geometria per salvar vides

Un dels materials més resistents que es coneixen és el Kevlar®. Va ser descobert de forma casual per la química nord-americana Stephanie Kwolek a finals dels anys 60 i les seves propietats fonamentals són l’elevada duresa, la resistència a la temperatura i la seva baixa densitat.

Si volem un material molt dur, resistent a la penetració o al tall, i molt lleuger, el Kevlar® sol formar part de la solució. Un grandíssim nombre d’aplicacions aprofiten aquesta combinació de característiques: el Kevlar® 29 s’empra fonamentalment en cascs i armilles protectores; el Kevlar® 49 s’utilitza per a cosir veles de vaixell, per a fabricar caiacs, parts d’avió, turbines o cables i d’altres aplicacions on es requereix una major flexibilitat. Així mateix, combinat amb altres compostos com la fibra de carboni, permet produir materials amb diferents propietats i usos.

LES PROPIETATS FONAMENTALS DEL KEVLAR® SÓN DURESA, RESISTÈNCIA A LA TEMPERATURA I LLEUGERESA
I quina és la química?

El Kevlar®, o poli(imino-1,4-fenileniminocarbonil-1,4-fenilcarbonil), és un copolímer de p-diaminobenzè i diclorur de tereftaloïl. Un cop sintetitzat el polímer, els cristalls se separen i al producte se li dóna forma de fibres gràcies a una extrusora de tipus spinneret, que fa servir la mateixa estratègia que utilitzen les aranyes per teixir les fibres de les teranyines.

Aquest material es fa servir per fabricar caiacs, parts d’avió o elements de seguretat com cascs de motocicletes, entre d’altres.
Quins conceptes ho expliquen?

La clau de la resistència del Kevlar® recau sobretot en l’estructura tridimensional del polímer. Els enllaços intra- i intermoleculars es donen a tres nivells i són a la base de les excepcionals propietats del Kevlar®. Els electrons que formen els enllaços covalents de l’estructura polimèrica estan fortament deslocalitzats i donen lloc a una estructura ressonant totalment plana i essencialment lineal. A més, les cadenes contigües en el pla s’uneixen a través d’enllaços d’hidrogen. En la tercera dimensió, entre les capes del polímer, són les forces de Van der Waals les que contribueixen a compactar el material.

LA CLAU DE LA ALTA RESISTÈNCIA DEL KEVLAR® RECAU EN LA SEVA COMPOSICIÓ QUÍMICA I SOBRETOT EN L’ESTRUCTURA TRIDIMENSIONAL DEL POLÍMER 9
Estructura plana del Kevlar®
1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
2

Els dispositius mòbils del futur

L’enllaç químic, determinant de les propietats

Quina relació tenen el model atòmic i els nous smartphones? La capacitat de produir pantalles cada vegada més fines i flexibles ha estat possible gràcies a la utilització de nous materials que emeten llum de diferents longituds d’ona (blau, vermell, groc o verd) quan se’ls aplica corrent elèctric. Aquesta nova tecnologia es coneix com OLED (Organic Light-Emitting Diodes) i es basa en l’ús de materials polimèrics flexibles que permeten conduir l’electricitat, i compostos orgànics que permeten l’emissió de llum per generar les imatges.

Un exemple dels polímers utilitzats és el grafè. Aquest material, flexible i transparent, està format per anells de benzè fusionats disposats com un rusc d’abelles. D’aquesta manera, els electrons dels àtoms de carboni es poden deslocalitzar per tota la superfície polimèrica i conduir l’electricitat per tota l’estructura. A més de tenir un suport flexible, cal que el corrent activi els píxels de la pantalla i es generi llum per formar les diferents imatges. Aquesta luminescència s’aconsegueix per mitjà dels díodes OLED.

Diagrama de com treballa la tecnologia OLED
I quina és la química?

Alguns compostos orgànics constitueixen una excel·lent solució: no són estructures rígides i es poden dipositar sobre gairebé qualsevol superfície sense perdre les seves propietats.

Quan s’aplica un corrent elèctric sobre aquests compostos, permeten el pas del corrent. En aquest procés s’allibera un dels seus electrons de l’orbital ocupat de major energia (HOMO) i es recupera un electró en l’orbital no-ocupat de menor energia (LUMO). Abans que el compost pugui repetir aquest procés, l’electró del LUMO passa a la posició buida de l’HOMO. L’energia que perd l’electró és emesa en forma de llum d’una longitud d’ona determinada, donant color a la imatge.

ELS COMPOSTOS ORGÀNICS QUE ES FAN SERVIR PER A AQUESTA TECNOLOGIA PODEN DIPOSITAR-SE SOBRE GAIREBÉ QUALSEVOL SUPERFÍCIE
Conducció elèctrica en un compost orgànic
Quins conceptes ho expliquen?

Els diferents models atòmics han permès descriure la naturalesa atòmica de la matèria. El model atòmic de Schrödinger considera que el nucli dels àtoms es troba envoltat per un núvol electrònic. Dins d’aquest, els orbitals ens mostren la zona de l’espai amb major probabilitat de trobar els electrons.

Aquesta mateixa idea es desenvolupa també quan parlem de compostos. En aquest cas, els orbitals moleculars permeten descriure les regions amb més probabilitat de trobar els electrons i interpretar les interaccions, entre la llum i la matèria, que s’hi produeixen.

1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà
1

Cremes per protegir-nos del sol

Interacció llum-matèria al servei de la salut

Es ben conegut que l’exposició moderada i controlada a la radiació ultraviolada (UV) és beneficiosa. Per exemple, la radiació UV és necessaria per a la síntesi de la vitamina D3 i la seva acció terapèutica es fa servir per tractar afeccions cutànies com la psoriasi, la dermatitis, o l’acne. Alhora, un excés d’exposició al sol pot causar agressions que van des de les típiques cremades estivals fins al fotoenvelliment de la pell o efectes mutagènics relacionats amb el càncer de pell o amb la pèrdua de resposta immune cel·lular.

Per això, a partir dels anys 20 del segle passat van sorgir al mercat els fotoprotectors solars: preparats farmacèutics d’aplicació tòpica capaços de reflectir, absorbir o dispersar la radiació UV i disminuir d’aquesta manera els seus efectes negatius sobre la pell. Els fotoprotectors es basen en compostos anomenats filtres químics que tenen en comú la capacitat d’absorbir radiació en una determinada regió de l’UV.

ELS FILTRES SOLARS SÓN CAPAÇOS DE REFLECTIR, ABSORBIR O DISPERSAR LA RADIACIÓ UV
I quina es la química?

El mecanisme de protecció consisteix en la “desactivació” de la radiació UV energètica i potencialment perillosa mitjançant l’ús de filtres químics. Quan aquests compostos absorbeixen la radiació, l’energia és transformada en calor innocua bé directament o bé participant en una reacció fotoquímica (mediada per la llum) ràpida i reversible de tautomerització, un tipus d’isomerització (reordenació interna dels àtoms d’una molècula). Aquest és el cas de l’Uvinul® A Plus (2-(4-(dietilamino)-2-hidroxibenzoil)benzoat d’hexil), un filtre químic orgànic de BASF que es pot trobar en cremes solars comercials.

Existeix una clara relació entre l’estructura química del filtre solar i la seva capacitat d’absorció de la radiació UV. Amb petits canvis en l’estructura química s’aconsegueix adequar i optimitzar la regió de màxima absorció del fotoprotector, és a dir, seleccionar el tipus de radiació en què volem que la protecció sigui més eficient.

Estructura i tautomerització d'un filtre químic
Quins conceptes ho expliquen?

El més important és reconèixer la interacció de la llum solar amb la matèria en general i amb els compostos químics en particular. Els filtres químics dels protectors solars absorbeixen la llum UV de forma que l’energia absorbida retorna tèrmicament i proporciona reaccions d’isomerització. És a dir, les molècules inicials es transformen en unes altres amb la mateixa fórmula molecular (el mateix nombre i tipus d’àtoms), però amb diferents estructures i propietats que protegeixen la nostra pell.

1. Cremes per protegir-nos del sol
2. Els dispositius mòbils del futur
3. Dur i resistent
4. Coixins de vida: els airbags
5. Hàbits més sostenibles
6. Quin mal de panxa!
7. Mengem aire?
8. Química que dóna aigua
9. Calor sense foc i fred sense gel
10. Biometà