Procesos biológicos de oxido reducción ( Publicado en Revista Creces, Junio 1990 )
Los procesos biológicos que producen energía tales como fotosíntesis y respiración dependen en último término de reacciones de intercambio de electrones y protones. Las bases químicas de estos procesos constituyen el tema central de este artículo. Muchos de los procesos esenciales en la célula viviente implican intercambios de cargas eléctricas en fenómenos en que participan iones y electrones. Los iones K +, H+, Cl-, etc) son en general solubles, lo que quiere decir que pueden desplazarse en el medio esencialmente acuoso de las células. Los electrones, que en adelante simbolizaremos como e, no son solubles y deben movilizarse a través de conductores especiales. En esta edición de Cuadernos de la Ciencia queremos referirnos a estos conductores biológicos, con especial atención a su participación en los procesos celulares de obtención de energía, la que se acumula en una molécula llamada ATP. Un concepto esencial para entender la síntesis de ATP es el de energía libre que cuantifica la cantidad de energía disponible para efectuar trabajo. Cualquier reacción química , tenga ésta lugar en una célula o no ocurre sólo en la dirección de menor energía libre . Los seres vivos obtienen energía por tres por tres tipos de procesos: respiración, fermentación y fotosíntesis (Fig. 1). En la combinación de fermentación y respiración , la reacción de carbohidratos con O2 para dar CO2 y agua libera una gran cantidad de energía libre. Lo que la transforma en una reacción favorecida termodinámicamente. En la fotosíntesis, la misma reacción tiene lugar en sentido inverso: CO 2 se combina con agua para producir carbohidratos y oxígeno molecular (O 2). Esta reacción sólo es termodinámicamente posible si se le proporciona energía desde una fuente externa. En forma natural, esta energía proviene del sol y así en estructuras especiales de plantas y microorganismos deben absorberse varios fotones (o unidades mínimas de luz) por cada molécula de anhídrido carbónico convertido a carbohidrato, Los fotones son absorbidos por moléculas de pigmentos, las cuales como resultado de esta excitación pasan a un estado de mayor energía libre generando la fuerza impulsora para la transformación del C02. ATP y transferencia de energía
GALERIA
La "moneda de intercambio" energética de las células, el ATP, consiste en una molécula orgánica asociada a una cadena de 3 fosfatos. En la mayor parte de las reacciones químicas en que el ATP actúa aportando energía, el único cambio que esta molécula experimenta, es la escisión (o "hidróIisis") del fosfato terminal. La regeneración de ATP, por lo tanto, consiste en la reincorporación de este fosfato a una molécula que previamente lo había perdido (la llamada ADP) con la consiguiente eliminación de una molécula de agua Esta reacción de regeneración no ocurre espontáneamente, sino que a expensas de una considerable cantidad de energía. Gran parte de esta energía puede recuperarse en la reacción inversa, es decir, el paso de ATP a ADP y fosfato. Con algunas restricciones podemos imaginarnos el ATP como un resorte comprimido y al ADP como un resorte relajado en donde la energía ya se ha liberado. Al ceder fosfato terminal a otras moléculas, el ATP crea especies fosforiladas que pueden participar en otras reacciones que de otra manera no serían energéticamente posibles. Surge aquí una noción de gran importancia en bioquímica: aquella de acoplamiento que podría formularse en términos de que sólo es posible que el ATP "ayude" energéticamente un proceso a través de una reacción química en que intervenga alguno de los elementos participantes en el proceso. De ahí el papel fundamental de las enzimas que aceleran estas reacciones en la economía energética de los organismos. Existe un par de reacciones biológicas mediante las cuales se puede generar ATP en un proceso enzimático relativamente simple con la participación de ADP y un sustrato fosforilado. Estas reacciones tienen lugar en una gran variedad de organismos y tejidos, pero en general representan sólo una fracción de la síntesis de ATP por la degradación de sustratos orgánicos. Sin embargo este tipo de reacciones ilustra lo que debe haber sido el mecanismo más primitivo para la generación de ATP. El acoplamiento entre los procesos liberadores de energía de respiración y fotosíntesis y la síntesis de ATP (que requiere energía) ocurre de una forma más compleja y aparecen implicados electrones y protones (iones hidrógeno positivos, H +) y procesos de transporte y óxido- reducción. Con el objeto de entender algunos rasgos comunes a los procesos de fotosíntesis y respiración, examinaremos brevemente algunos elementos de la química de óxido- reducción. Se entiende por reacción de oxido- reducción transferencia de uno o más electrones de una molécula (o ión) a otra. La molécula que en una reacción
particular cede electrones, se oxide, y se denomina reductor, mientras que la molécula que recibe estos electrones se reduce y es llamada oxidante. La capacidad oxidante o reductora de una especie química ha sido determinada cuantitativamente por los químicos por su potencial estándar de óxido-reducción que puede tener valores positivos o negativos. Aquellas moléculas que tienen un potencial más positivo tienden a retener su(s) electrón(es) intercambiables y por lo tanto aquellas con un potencial más bajo o más negativo tienen tendencia a cederlos. Una reacción de óxidoreducción en que la especie A cede electrones a la especie B, es decir: A (reducido) + B (oxidado) ---> A(oxidado) + B(reducido ) Producirá energía y por ende ocurrirá espontáneamente si el potencial estándar de B menos el potencial estándar de A da un valor positivo. En caso contrario la reacción exergónica será: A(oxidado) + B(reducido) ---> A (reducido) + B (oxidado) Volviendo al caso de las moléculas orgánicas que nos ocupan, ya hemos establecido que el CO 2 es la molécula de carbono más pobre en energía (aquella en la que terminan los procesos celulares de obtención de energía) y agregaremos que es la molécula "orgánica" más oxidada, de lo que se deduce que la pérdida de enlaces con H significa oxidación. Así la acumulación de energía en moléculas orgánicas (lípidos, azúcares, proteínas) (H + + e ) en la fotosíntesis equivalente a ganancia de enlaces con H y a una reducción. La relación entre reducción e hidrogenación puede quizás ilustrarse mejor en el simple esquema de la Figura 2 que representa un primitivo antecesor de las cadenas transportadoras de electrones. Este esquema nos sirve además para presentar otro elemento indispensable en los procesos biológicos de óxidoreducción: la presencia de una membrana. La figura muestra un flujo de electrones a través de la membrana en lo que se ha propuesto como cadena pre- respiratoria. Básicamente, el objetivo de esta cadena en el organismo primitivo es neutralizar el exceso de ácido (H+) producido por la fermentación (ecuaciones I y II). Como se ve, el compuesto reducido H 2 A ha fijado H como H+ + e. El resultado neto es desaparición de H+ en el interior y la aparición de éstos en el exterior sólo a través de un traspaso de cargas negativas de la membrana. El esquema incluye dos enzimas, una en la cara externa de la membrana que cataliza la oxidación de un dador (D) de e y otra interior que cataliza la reducción del aceptor A. El flujo de e es un proceso exergónico (suministra energía libre), ya que va de un potencial más negativo a un potencial más positivo. El esquema hace abstracción de las varias moléculas
diferentes que, como hoy sabemos, son necesarias para la transferencia de electrones, y que actúan cual cosechadores de sandías que se pasan los frutos (los e) de la mata al carretón. Cadenas de reacciones
El esquema de la Figura 2 nos permite introducir un fenómeno fundamental con el que se explica hoy la síntesis de ATP tanto en fotosíntesis como en respiración: la formación de un gradiente, (esto es una diferencia de concentraciones) de H + asociada al paso de electrones. Analicemos ahora algunas características de las cadenas transportadoras de electrones asociadas a estas membranas. A diferencia de un alambre conductor de cobre en donde todas la moléculas son iguales y el conductor actúa como tal gracias a un gradiente (diferencia de potencial) exterior a él, estas cadenas son conductoras precísamente gracias aquellas moléculas que las constituyen son diferentes, situándose cada una de ellas en un peldaño energético más bajo que la molécula que le precede. La figura 3 representa un modelo mecánico de este traspaso secuencial de electrones, aquí representados como esferas que caen. El centro redox activo de cada molécula en el traspaso de electrones ha sido representado como una rueda con palas que gira en torno a un eje. Con este modelo se ha querido enfatizar 3 aspectos del fenómeno del transporte de electrones: 1) Gradiente termodinámico: representado por la diferencia en el
nivel de los ejes. 2) Orden específico: representado por la muesca en la base de
una molécula que se adapta a la base de la otra. 3) Acoplamiento energétlco: representado como un rotor negro
de donde salen unos conductores que proveerían la energía para la síntesis de ATP. Una imagen más real del acoplamiento energético entre trasferencia de e y producción de ATP está dada sin duda por la llamada Teoría Quimiosmótica propuesta por Peter Mitchell. Esta teoría, confirmada hoy con un cúmulo de evidencias es válida tanto para la generación de ATP en transporte de e de fotosíntesis como de respiración y puede resumirse de la manera siguiente: El flujo de e está directamente acoplado a un flujo de H +en sentido opuesto. El gradiente de H+ así generado es, en definitiva, la fuerza impulsora para la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato en un proceso
catalizado por una enzima (ATP asa) íntimamente asociada al flujo de H+ (ahora "cuesta abajo"). Es interesante señalar que en algunas bacterias ATPasas que rompen ATP para expulsar un exceso de ácido pueden actuar "en reversa", es decir generando ATP en ciertas condiciones en que se impone un gradiente de H +.
http://www.creces.cl/new/index.asp?imat=%20%20%3E%20%206&tc=3&nc=5&art=187
Indice Introducción:
En la vida actual se presentan situaciones que no son más que el resultado de reacciones redox. ¿Qué podría ocurrir si no contáramos con pilas, baterías? ¿Cómo funcionarían los relojes, las linternas?, ¿Cómo purificaríamos los metales? Este trabajo trata sobre las reaccione de oxido reducción y como estas son aplicadas en la vida cotidiana, habla sobre las pilas, su funcionamiento y lo importantes que son en la vida cotidiana además contiene información sobre la limpieza de las aguas servidas y como la electrolisis que es un proceso redox (Oxido reducción) ha facilitado este proceso y lo ha hecho mas económico, mas seguro, al ser mucho mas seguro que el gas cloro mas ecológico, al ser menos contaminante que el gas cloro. También habla sobre el proceso químico del revelado de las fotografías. Y por ultimo pero no menos importante contiene un mapa conceptual para poder entender estos procesos de una forma mas fácil, práctica y didáctica Mapa Conceptual
Reaccion De Oxido-Reduccion.
Un reaccion de Oxido Reducción es una reacción en la que se transfieren electrones desde una molécula dadora a una aceptora Reacciones Redox En El Revelado
El potencial real de oxido-reduccion, Erev, puede medirse para los sistemas reversibles como el revelador de oxalatoferrato (II) y oxalatoferrato (III), que se ha utilizado en varias investigaciones. Es evidente que la reducción del haluro no podría producirse si no fuera termodinamicamente posible, y por consiguiente E = Erev - EAgtiene que ser una cantidad positiva. Sin embargo, Reinders y Beukers encontraron que para iniciar el revelado, E tiene que exceder un valor mínimo de 70-100 mv. Una vez que se ha iniciado el revelado, puede continuar en una solución en la cual Erev es simplemente mas positiva que EAg. Abribat,
Pouradier y David encontraron que el valor critico de E necesario para iniciar el revelado varia algo con la naturaleza de la emulsión, pero obtuvieron el mismo valor critico para el revelado de imagen latente que para la formación de niebla. La razón para la existencia del valor critico aun no esta clara. Reinders supone que las minúsculas partículas de plata que forman la imagen latente son mas solubles que la plata maciza, y por consiguiente el valor real de EAg para el sistema de haluro de plata e imagen latente es mas positivo para el valor critico que el potencial determinado experimentalmente con un electrodo de plata maciza. Esta explicación exigiría una solubilidad de la plata latente 16-50 veces mayor que la plata maciza. Cómo Funcionan las Baterías
Una batería es escencialmente una lata llena de químicos que producen electrones. Las reacciones químicas son capaces de producir electrones y este fenómeno es llamado reacción electroquímica. Si se examina una batería, esta tiene dos terminales. Una terminal está marcada (+) positivo mientras la otra está marcada (-) negativo. En una AA, o C (baterías más comunes) los extremos son los terminales. En una batería de auto existen dos grandes tubos que actúan de terminales. Los electrones se agrupan en la terminal negativa de la batería. Si se conecta un cable entre las terminales positivas y negativas, los electrones pasarán de la terminal negativa a la positiva tan rápido como puedan (y descargarán a la batería muy rápido -esto también tiende a ser peligroso, especialmente con baterías grandes, así que no es algo que debería hacer-). Normalmente se coloca algún tipo de artefacto a la batería con el cable. Este artefacto puede ser una bombilla, un Motor, un circuito electrónico como un radio, etc. Dentro de la batería misma, una reacción química produce electrones, y la velocidad de la producción de electrones hecha por esta reacción (la resistencia interna de la batería) controla cuántos electrones pueden pasar por las terminales. Los electrones pasan de la batería al cable, y deben viajar de la terminal negativa a la positiva paa que la reacción química se lleve a cabo. Es por eso que que una batería puede guardarse por un año y todavía conserva su energía plenamente -a menos que los electrones corran hacia la terminal positiva, la reacción química no se efctuará-. Una vez que se conecte el cable, la reacción empieza. Química de Baterías
Si desea aprender acerca de las reacciones electroquímicas que utilizan las baterías, será fácil ejecutar experimentos en casa para probar diferentes combinaciones. Para hacer esos experimentos con precisión, debería comprar un medidor de voltios-ohmnios en una tienda cercana. Asegúrese de que el medidor pueda leer voltajes bajos (en el rango de 1 volt) y corrientes bajas (en el rango de 5 a 10 miliamp). Así verá exactamente qué es lo que hace su batería. La primera batería fue creada por Alessandro Volta en 1800. Para crear su batería utilizó una pila alternando capas de cinc y plata, empleando papel secante empapado en agua salada como aislante. Así más o menos:
Este artefacto fue conocido como "pila voltaica". Las capas superior e inferior de la pila deben de ser de diferentes metales, como se muestra. Si ata un cable de arriba a abajo de la pila puede calcular un voltaje y una corriente. La pila puede seguir agrandándose tanto como quiera, y cada capa incrementará el voltaje por una cantidad determinada. Puede crear su propia pila voltaica utilizando monedas y toallas de papel. Mezcle sal con agua (toda la sal posible que el agua pueda soportar) y empape el papel en esta mezcla. Entonces cree una plia alternando entre diferentes metales. Observe qué tipo de voltaje y corriente produce la pila. Trate con diferentes números de capas y observe qué efectos tiene en el voltaje. Entonces trate alternando entre monedas y vea qué pasa. Otras combinaciones incluyen al acero y al aluminio. Cada combinación metálica produce un voltaje levemente diferente. Otro experimento simple que puede tratar es utilizar un frasco de compota para bebé, un ácido diluído, cables y clavos. Llene el frasco con jugo de limón o vinagre (diluya los ácidos) y coloque un clavo y un pedazo de cable de cobre en el frasco de manera que no lo toque (el cable entre un clavo y otro). Utilize clavos galvanizados y de hierro. Entonces calcule el voltaje y corriente atando su voltímetro a las 2 piezas de metal. Cambie el jugo de limón por agua salada, y utilice diferentes clavos y metales para ver el efecto. Las baterías modernas utilizan una variedad de químicos para realizar sus reacciones. La química de las baterías comunes incluyen:
Baterías de Cinc, también conocidas como baterías estándar de carbón. La química de cinc-carbón es utilizada en cualquier batería AA, o afín. Los electrodos son de cinc y carbón, con una unión ácida entre ellas como electrolito. Baterías alcalinas. Los electrodos son de cinc y óxido de manganeso con un electrolito alcalino. Batería de níquel-cadmio. Utiliza el hidróxido de níquel y electrodos de cadmio con hidróxido de potasio como electrolito. Es recargable. Hidruro de níquel-metal. Recargable. Reemplazó rápido al níquel-cadmio porque no sufre de los problemas que tiene la anterior. Ion-litio. Recargable. Muy buen porcentaje de desempeño, se utiliza en los últimos PC's portátiles y teléfonos celulares. Plata-cinc. Utilizada en aplicaciones aeronáuticas porque el porcentaje de desempeño es bueno.
Detalles de baterías
Actualmente, casi ningún dispositivo utiliza una celda por vez, una celda es un conjunto de materiales que generan voltaje y corriente (como el cinc y el carbón) que están agrupados y
cubiertos por un material aislante. Si abrimos una batería encontraremos las celdas dentro. Una celda es más o menos así:
Normalmente las baterías se agrupan en serie para obtener altos voltajes o en paralelo para altas corrientes. El siguiente diagrama muestra esos arreglos:
El arreglo de arriba es llamado en Paralelo. Si asume que cada celda produce 1.5 voltios, entonces 4 baterías en paralelo también producirán 1.5 voltios pero la corriente será cuatro veces mayor. En arreglo de abajo es llamado en Serie. Los cuatro voltajes se suman para producir 6 voltios. Normalmente cuando se compran unas baterías, el empaque dirá la corriente y el voltaje de la misma. Por ejemplo, una cámara digital utiliza 4 baterías níquel-cadmio que producen 1.25
voltios y 650 miliamperios/hora por cada celda. En general, se puede calcular una escala de miliamperios/hora linealmente -esta batería puede producir 325 miliamperios por dos horas o 1300 miliaperios por media hora-. Esto de manera de determinar cuanto tiempo durará una batería a determinada exigencia. Si coloca cuatro de esas baterías en serie puede obtener 5 voltios (1.25*4) a 650 miliamperios/hora. Si coloca esas baterías en paralelo puede obtener 1.25 voltios a 2600 (650*4) miliamperios/hora. ¿Alguna vez ha mirado una batería de 9 voltios por dentro? Contiene 6 baterías muy pequeñas que producen 1.5 voltios en un arreglo en serie.
Electrolisis
Sonique Sistema de depilación casero por medio de electrólisis, funciona con pilas o con electricidad. El sistema de electrólisis elimina el vello desde la raíz para siempre, no produce dolor ni irritación, puede ser usado en cualquier parte del cuerpo. Solvay
Solvay España cuenta con tecnología propia en la fabricación de productos sódicos y en la electrólisis de la sal, en sus centros de producción de Torrelavega y Martorell. Entre los productos más importantes se encuentran el Carbonato Sódico, el Hidróxido Sódico, el Bicarbonato Sódico y el Cloruro Sódico. El carbonato sódico (SODASOLVAY®), producido en el centro de Torrelavega, se utiliza como materia prima en multitud de industrias de base, como por ejemplo las industrias Vidriera, de Detergentes, Textil o Papelera. En las electrólisis de los centros de Torrelavega y Martorell, Solvay produce Cloro Líquido, Lejía de Sosa Cáustica e Hidrógeno y sus derivados inorgánicos (Hipoclorito Sódico, Acido Clorhídrico, Cloruro Férrico). El cloro constituye la materia prima indispensable para la fabricación del Policloruro de Vinilo (PVC) que se produce en la factoría Solvay de Martorell. Asimismo, tanto el Cloro, como el Hipoclorito Sódico o el Cloruro Férrico son productos
esenciales a veces incluso irremplazables en el tratamiento, esterilización y conservación del agua. El Grupo Solvay es el primer productor mundial de Carbonato Sódico y Sal Gema, y el primer productor europeo de Lejía de Sosa Cáustica y Bicarbonato Sódico. La división de productos halogenados está comprometida con una política concertada de utilización responsable de la química del cloro, orientada hacia la industria de plásticos espumados y refrigeración. Productos halogenados tales como los alílicos y los fluorados se presentan como soluciones innovadoras y alternativas en mercados cada día más dinámicos y competitivos como alimentación, cosmética y transporte energético. Solvay Interox es el principal proveedor mundial de peroxidados. Produce y vende Peróxido de Hidrógeno, Persales, Caprolactona, Peróxidos Inorgánicos y Acido Peracético. Actualmente Solvay Interox posee 12 filiales y 6 empresas asociadas, repartidas por todo el mundo. El peróxido de hidrógeno se utiliza en los sectores de la celulosa, textil, síntesis química y conservación del medio ambiente. Su gran poder oxidante resulta óptimo para resolver problemas de contaminación derivados de procesos industriales. Los persales tienen aplicaciones en farmacia y cosmética y son los agentes de blanqueo utilizados en la industria de los detergentes. Los peróxidos inorgánicos constituyen una fuente de oxígeno en forma sólida especializada para determinadas aplicaciones. El ácido peracético es un excelente bactericida destinado a ser un producto estrella en todos los campos de la desinfección. Electrolisis En La Purificación Del Agua
Históricamente el cloro elemental ha sido el químico mas usual y económico en la desinfección de aguas ya sean estas potables, negras o industriales. Tanto el gas cloro como el hipoclorito de sodio industrial y el hipoclorito de calcio han sido los químicos mas eficaces para la oxidación de los elementos orgánicos del agua. Su uso generalizado es debido a su fácil consecución y bajo costo. La creciente importancia mundial a la protección del medio ambiente ha causado que muchas industrias que se consideran muy inclinadas a contaminación incluyendo principalmente las fábricas de cloro-soda hayan cerrado o limitado su capacidad por contaminar masas de agua y atmósfera. En muchos países no se permite a los camiones tanques portadores de cloro gas circular por el área de ciudades, túneles, ciertos puentes y carreteras. Lo mismo que instalaciones de este cerca de colegios, aeropuertos, hospitales y áreas pobladas son prohibidas o muy controladas. Sin embargo la demanda del cloro continua creciendo debido a la mayor contaminación de los depósitos acuíferos demandantes de mayor cantidad de desinfectante, aumento de población y gran aumento en la demanda del cloro como materia prima para petroquímicos. La generación in-situ de desinfectantes a través de sal y electricidad es una alternativa muy importante para desinfección de aguas. El gas cloro, que ha sido históricamente el elemento mas usual y económico utilizado en tratamientos de aguas, está en un proceso histórico de ajuste en nuestra sociedad de hoy. El cloro está siendo constantemente atacado por movimientos ambientalistas debido a los altos peligros que conlleva su manejo y aplicación. Muchas fábricas en Latinoamérica han cerrado operaciones y otras se han visto imposibilitadas de aumentar su producción para suplir la
creciente demanda por efectos de contaminación existente y potencial. Los controles y las exigencias de seguridad en instalaciones de gas se intensifican incrementando los precios del desinfectante aplicado. Desde el tratado de Río de Janeiro, ECO 92 prácticamente cada país tiene un nuevo ministerio relacionado con la protección del medio ambiente que se ocupa de la normalización y control de este tipo de industrias. En resumen, el gas cloro como desinfectante de uso general en aguas tiene un futuro un poco incierto por su logística de suministro. A pesar de que algunas fabricas han limitado y a veces reducido su producción debido a causas ambientales, la demanda del cloro aumenta desproporcionadamente a la oferta debido al creciente aumento de la población que requiere mayores volúmenes de agua potable, mayor contaminación de los acuíferos usados para proveer de agua a ciudades y zonas rurales y también debido a las muchas fábricas de PVC, vidrio, papel y otras que utilizan y demandan grandes cantidades de cloro como materia prima. El cloro es uno de los químicos mas necesarios en nuestra sociedad y a la vez uno de los mas peligrosos de manejar, transportar y almacenar. Vemos que muchos países prohiben el paso de los camiones tanques por las ciudades, por algunos túneles y puentes. En California, EE.UU es prácticamente imposible hacer nuevas instalaciones de cloro en o cerca de ciudades. Las tarifas de transporte marítimo se incrementan día a día por su alto riesgo y su logística de adquisición causa dolores de cabeza y úlceras a los ingenieros sanitarios responsables de la potabilización de las aguas por la logística y peligros en su manejo. En la dosificación del gas se requieren equipos especiales que constantemente tienen que ser comprobados en su correcto funcionamiento debido a su alto poder de oxidación y porque están sometidos a presiones altas de trabajo. Los cilindros de almacenamiento tienen que ser constantemente inspeccionados y reemplazados periódicamente para evitar fugas y accidentes que son altamente peligrosos. Hay otras formas químicas que ofrecen cloro disponible para desinfección tal como en el hipoclorito de sodio e hipociorito de calcio. Ambos químicos son ampliamente utilizados en situaciones específicas de tratamientos cuando el uso, del gas cloro se dificulta por su logística de suministro o su transporte al sitio de uso o también por su dosificación o bajos caudales de agua que no son los apropiados para este sistema de desinfección. El método mas corriente para manufacturar hipoclorito de sodio de grado industrial es burbujeando gas cloro a través de soluciones de soda cáustica. Se obtienen concentraciones del orden del 12% al 14%, este hipoclorito concentrado es también de manejo altamente peligroso y es muy inestable su concentración ya que siendo muy ávido a la oxidación su concentración se pierde rápidamente en función del tiempo. También pierde rápidamente su concentración por la temperatura, luz y material del tanque de almacenamiento. No es raro adquirir un tanque de hipociorito a 14% de concentración que al llegar a su destino de aplicación ha perdido un 1 % y en una semana está a niveles del 10-1 2%. Si el cloro es pasado a través de calcio se obtiene hipoclorito de calcio en concentraciones típicas del 60-65%. A su vez este químico, aunque menos que el hipoclorito de sodio, es inestable en función del tiempo y temperatura de almacenaje. Esta es la forma mas costosa de compuestos de cloro comparado con las otras formas de químicos con cloro disponible para la oxidación. Para su manejo también se requiere mucho cuidado porque representa un alto grado de peligrosidad. Su dosificación es sencilla diluyendo el químico en proporciones de agua ydosificando esta a la masa de agua a tratar por medio de gravedad o por remoción del
cloro haciendo pasar el flujo de agua a tratar a través de dosificadores de flujo controlado. Generalmente estos métodos de dosificación son rígidas no pudiendo adaptarse a flujos variables yfácilmente se sobre o bajo ciore con el consecuente excesivo sabor a cloro. Fundamentados en una fuerte motivación originada por la creciente dificultad de la operación con gas cloro; a la logística de distribución de este en áreas pobladas; al cierre de plantas productoras y/o a la prohibición de incrementar producciones. Al incremento de la demanda del cloro debido al aumento de consumo por aumento de población; a la mayor contaminación de los acuíferos requiriendo mayor cantidad de desinfectante; a la mayor demanda de petroquímicos, industria del papel, PVC, vidrio etc.; a la dificultad de suministro del cloro en las zonas rurales, siendo estas ahora reconocidas de orden muy prioritario en tratamiento de aguas ya que se ha determinado que son el foco del nacimiento de epidemias de enfermedades acarreadas en el agua. A la difícil dosificación de este en acueductos pequeños; a la proliferación de movimientos ambientalistas atacantes de este tipo de químicos potencialmente contaminantes y a la creación de entidades gubernamentales de protección ambiental originadas después de ECO 92 imponiendo controles y regulaciones muy rigurosas en su manejo. A que los precios oscilantes del cloro y sus compuestos presentan poca estabilidad y están sujetos a acaparamientos y especulaciones de disponibilidad así como a la especulación de precios de transporte marino y terrestres siempre cambiantes; a que muchos países no productores tienen dependencia de otros países de esta comodidad básica y substancial para su salud. Por estos motivos, que en uno u otro grado infligen en detrerminadas circunstancias en los diferentes países, se ha promovido el interés en la industria del agua en desarrollar sistemas que ofrezcan una alternativa confiable en la obtención y aplicación de desinfectantes. Soluciones alternativas para la desinfección
1.1 Tecnología Básica: Este sistema se basa en la generación de cloro y otros gases oxidantes en una pila electrolítica de dos cámaras separadas por una membrana especial semi permeable. La cámara anódica se llena con salmuera (sal y agua), y la cámara catódica se llena con una solución de soda cáustica. El ánodo, generalmente hecho de titanio es separado del cátodo, que puede ser hecho de titanio, Hastelloy-C o acero inoxidable, por una membrana selectiva. Al energizar la celda electrolítica pasando corriente directa (DC) del ánodo al cátodo a través del medio electrolítico (salmuera), los iones de sodio cruzan la membrana que selectivamente atrapa los iones de cloro que quedan en la cámara anódica. Estos iones de cloro vienen a formar los gases oxidantes usados en la desinfección del agua. El proceso no es realmente nuevo en la industria química ya que esta había obtenido estas mezclas de gases por medios electrolíticos, sin embargo estos resultados eran descartados como indeseables porque lo que se perseguía como fin era la obtención de oxidantes puros. La industria de tratamiento de aguas, por otra parte, observó que estos gases generados tenían potencialmente un gran poder de desinfección aún superior a las del gas cloro. Los gases generados en la cámara anódica incluyen cloro, peróxido de hidrógeno, ácido hipocloroso, ozono, radicales hidroxilos, vestigios de bióxido de cloro, y compuestos de oxígeno de muy corta vida etc. La amplia gama de gases generados y la proporción entre ellos parece provenir del diseño de la celda, del material de que está hecho el ánodo (tipo de
recubrimiento), de la concentración del cloruro de sodio en el electrólito, de la densidad de corriente aplicada en la electrólisis y aún en la temperatura del proceso. La dosificación de los gases creados en la cámara anódica es efectuada por medio de extracción del gas por vacío o venturis causada por el flujo de agua proveniente del bombeo o por compresión de los mismos y su liberación en la corriente de agua. La mezcla de gases oxidantes es altamente efectiva para eliminar microorganismos en aguas incluyendo algunos que se encuentran entre los mas resistentes a la desinfección. Esta oxidación la efectúa bajo un amplio espectro de condiciones de pH y temperatura proporcionando residuales durables. Pruebas efectuadas demuestran que la eficacia del proceso de desinfección es igual o mayor al del gas cloro. Aparentemente el tiempo de contacto de estos gases oxidantes es menor que el requerido por el gas cloro para obtener la misma desinfección. Su uso en ciertas áreas se dificulta un poco por el estricto requerimiento de sal de muy buena calidad con bajo contenido de carbonatos y fosfatos cálcicos. Sales sucias tienden a tupir la membrana con frecuencia cuya limpieza requiere- un tanto de mano de obra especializada. La limpieza de esta membrana será de acuerdo a la calidad de la sal usada. Típicamente cada mes. La membrana tiene que ser cambiada con determinada frecuencia (aproximadamente cada año) mientras los ánodos, si tienen un revestimiento apropiado y la densidad de corriente a través de ellos es la apropiada y no la incrementen para obtener mayores producciones, duran de dos a tres años. La duración de los cátodos depende del material de que estén fabricados; generalmente de mucha duración. Este sistema que se ofrece en una gama amplia de capacidad de producciones, genera los gases en el sitio de uso y estos tienen que ser dosificados al momento de generación no pudiendo ser almacenados para utilización posterior. Esta condición puede ser muy relevante en países en que la corriente eléctrica falla con frecuencia ya que mientras no haya corriente eléctrica no hay desinfección. Este sistema no produce baches de desinfectantes que pueden ser utilizado posteriormente siendo este un limitante para su uso en zonas rurales. Para su operación se tiene que almacenar sal y una cantidad pequeña de soda cáustica para añadir en la cámara catódica para el arranque del sistema. Esta operación tiene que ser hecha cada vez que el sistema inicie su operación. La dureza depositada en los cátodos se limpia con una solución de ácido clorhídrico al 5%. La límpieza de la membrana y de los ánodos se hace de manera mecánica con una brocha suave y agua limpia. Su mantenimiento implica cierto grado de preparación técnica para el operario. Es de notar que el sistema genera gases químicos altamente tóxicos y corrosivos con los que hay que tener mucha precaución. Los gráficos 1 y 2 muestra el sistema de generación de gases oxidantes MIOX y el sistema MOGOD. El principio básico de los dos sistemas es el mismo aunque su construcción tiene variantes importantes.
Grafico 1
Grafico 2 1. Generadores de Hipoclorito de Sodio In-Situ
La generación del hipoclorito de sodio en el propio sitio de uso también no es nada nuevo. Es un proceso simple que hasta en los últimos 10-15 años con el desarrollo de ánodos especiales de bajo consumo eléctrico han hecho que el proceso sea económico y confiable. Típicamente el consumo eléctrico de una celda moderna es de 2.5 kwh y 3.5 libras de sal por cada libra de cloro equivalente generado. La primera instalación de un generador de hipoclorito de sodio fue hecha en Brewster, New York en el año 1893 y fue conocida como el Proceso WOOL y era usada en el tratamiento de aguas industriales. En 1930 generadores electrolíticos eran usados en desinfección de aguas de albercas por YMCA pero el alto consumo eléctrico de los electrodos hacían que el cloro equivalente generado fuera bastante mas costoso que el cloro gas y consecuentemente fue desechado. Durante la Primera Guerra Mundial en 1914-1918 una solución obtenida por este método electrolítico era usada como antiséptico en los hospitales para tratar heridas abiertas. Esta solución se llamaba Carrel Dankin Solution. Mas tarde la primera celda electrolítica fue desarrollada por Van Peursem pero el bajo costo del gas cloro impidió el desarrollo y avance de esta tecnología. 2.1 Tecnología básica
La tecnología de los generadores de hipoclorito de sodio in-situ es muy sencilla y confiable. Parte del principio de la electrólisis del agua salada o el paso de electricidad entre el ánodo y el cátodo a través del agua salada el cual hace que el H20y el CLNA reaccionen y formen el CLONA liberando hidrógeno en su reacción en la parte catódica. Esta tecnología Es prácticamente la misma para la obtención del cloro elemental. 2.2 Reacciones en la Celda El cloro se genera en el ánodo mientras el cátodo produce hidrógeno así: (1) 2 CL - ------------ >CL2 +2e(2) 2 H20 + 2 e- ----------- > H2 + 2 OHEstando aun en la celda el cloro reacciona inmediatamente y forma ácido hipocloroso de acuerdo a esta reacción: (3) C L2 + H20 --------- > HOCL + H* + CLConsiderando que comenzamos con sal (NaCL), todas las reacciones llevan a lo siguiente: (4) 2 NACL + 3 H20 ---------- > 2 NAOH + H2+ HOCL + HCL En la misma celda, todo el ácido hipocloroso se disocia y forma el Ion hipoclorito el cual se considera como Cloro Libre Disponible o FAC de acuerdo a la siguiente reacción de equilibrio: (5) HOCL < ------- > OCL- + H+ Si las concentraciones de HOCL y OCL- Son las mismas, la reacción total en la celda es como sigue: (6) 2 NACL + 3 H20 ------- > NAOCL + HOCL + NAOH + 2 H2 Es bueno hacer notar que cuando se utiliza gas cloro elemental para la desinfección, de los 2 átomos de la molécula de cloro (CL2) un átomo forma ácido clorhídrico (CLH) el cual se desperdicia ya que no es reactivo oxidante. Y solo un átomo del CL2 es el que forma el ácido hipocioroso (CLOH) siendo este el agente desinfectante. Cuando añaden 100 libras de CL2 solo 50 libras están utilizando, las otras 50 están siendo desperdiciadas. Acidifica el medio, baja el ph lo cual no es deseable a veces requiriendo neutralización con soda cáustica. La tecnología actual utiliza ánodos con estructura básica de titanio, que es prácticamente indestructible a la oxidación. Estos ánodos se revisten con óxidos de metales preciosos como iridio, rodio, platino. Este recubrimiento hace que la conductividad eléctrica sea mayor y mas uniforme en toda el aérea de los electrodos causando una mayor eficiencia de producción y menor consumo de electricidad. La electricidad es la materia prima mas costosa. El cátodo puede ser de titanio o de aleaciones especiales como Hastelloy-C o de acero inoxidable de alto grado. Ambas placas forman el corazón del sistema o la celda electrolítica. Estos sistemas generan el hipoclorito de sodio a una concentración del 0.6% al 1.0% (6,000 ppm - 10,000 ppm). Estas concentraciones son amistosas al medio ambiente y no peligrosa para el operador aunque encierran un alto poder de desinfección. Las soluciones de hipoclorito de sodio a baja concentración, al contrario del gas cloro, son vistas con buenos ojos por los ambientalistas para su uso generalizado en el reemplazo progresivo del uso del
gas cloro elemental como alternativa de desinfección) La solución es muy estable debido a que su avidez de oxidación baja notablemente por su relativa baja concentración comparada con el hipociorito comercial que típicamente se ofrece al 12%. Ver el gráfico No. 3 que relaciona diferentes concentraciones de hipoclorito de sodio versus tiempo y temperatura.
Grafico 3 Los generadores son de construcción sencilla, durables y de muy fácil mantenimiento y operación. Constan de una celda electrolítica y una fuente de poder o paneles fotovoltaicos solares. Los ánodos duran por lo menos tres años siempre que la densidad de corriente aplicada no exceda los límites establecidos para la estabilidad del recubrimiento y por la calidad de la fuente de poder que proporciona la corriente directa. Con el tiempo el
recubrimiento se va perdiendo y el consumo eléctrico aumenta paulatinamente hasta que el proceso es anti económico teniendo que cambiar el electrodo. Los sistemas modernos han evolucionado notablemente la tecnología incluyendo fuentes de poder tipo switching que además de ser pequeñas y livianas comparadas con las convencionales del díseño linear, tienen todo tipo de protecciones para medios de operación tropical, muy resistentes al mal manejo de operadores de baja preparación técnica, protegido contra las fluctuaciones de corriente propias en los países del tercer mundo, con protección de corto circuitos ocasionados por suciedad en el electrólito (hojas, insectos..) etc. Esta fuentes modernas vienen proveídas de temporizadores mecánicoleléctricos que acumulan el tiempo de electrólisis cuando la corriente falla y reanudan la electrólisis cuando la corriente regresa acumulando el tiempo real del proceso electrolítico. Estos sistemas, debido a su relativo bajo consumo eléctrico, operan eficientemente con paneles solares. El único mantenimiento que se le da al sistema es una inmersión periódica de la celda en vinagre blanco para limpiar la dureza de carbonatos y fosfatos depositados en el cátodo. Es muy importante observar que estos sistemas trabajan por medio de baches los cuales generan el desinfectante que puede almacenarse y usarse aún en momentos en que no haya energía eléctrica. Esto es muy significativo en áreas rurales en donde el flujo eléctrico falla con frecuencia. La eficiencia y eficacia de la desinfección del agua de las soluciones de hipoclorito de sodio ha sido ampliamente comprobada. Esta proporcionan residuales estables. El gráfico No.4 muestra una instalación típica de generación y dosificación simultánea de hipoclorito de sodio in-situ. Se utilizan 3 tanques de polietileno conectados entre sí con un múltiple y con una válvula de paso entre cada uno. En uno de ellos se introduce la celda en la salmuera previamente preparada y se regula el temporizador para determinado tiempo. Se prepara salmuera en un segundo tanque. Al día siguiente se dosifica el hipoclorito generado a la vez que se introduce el electrodo en el segundo tanque. Se prepara la salmuera en el tercer tanque para el día siguiente y así sucesivamente.
Grafico 4 La dosificación de estas soluciones tanto en masas de agua como tanques aéreos, pilas o en líneas presurizados se facilita notablemente debido a su relativo bajo poder corrosivo comparado con el gas cloro y el hipo concentrado pudiendo usarse para su dosificación materiales disponibles en ferreterías comunes no especializadas. Es muy generalizada la dosificación por gravedad mediante válvulas de PVC. La dosificación por medio de bombas químicas de impulso variable es también muy usual en líneas presurizadas o en tanque aéreos siendo esta muy económica y confiable. Los sistemas se manufacturan en tamaños desde 5 hasta 1 00 gramos/hora de cloro equivalente en forma de lotes. También se ofrecen sistemas automáticos que generan desde 20 hasta 150 librasldía. Estos sistemas son propios para instalaciones en municipalidades de 100,000 - 200,000 habitantes. El gráfico No. 5 muestra celdas típicas de generación de hipociorito de sodio in-situ.
Grafico 5 Electrolisis Del Agua La palabra electrólisis significa "destrucción por la electricidad". En la electrólisis del H2O se
forman hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) en estado gaseoso, según la siguiente reacción: 2 H2O -----> 2H2 + O2 Esta reacción no se produce espontáneamente. Para que tenga lugar es necesario aportar
energía eléctrica mediante una pila galvánica o un generador de corriente continuo. Es por este motivo que la reacción se lleva a cabo en una celda electrolítica, que es un sistema electroquímico generador de sustancias, por la acción de un flujo de electrones suministrado por la fuente de voltaje externa. El hidrógeno obtenido por electrólisis del agua es muy puro pero también es muy caro debido al importante gasto eléctrico que comporta. Hidrógeno muy puro se obtiene mediante electrolisis del agua acidulada. El gas de agua, que es una mezcla de CO y de H2, se forma según el proceso: C(rojo)+H2O(v)=CO+H2 En presencia de Fe2O3, el CO reacciona con el agua dando lugar a más hidrógeno y CO2. Este último se separa por disolución en agua a una presión de 26 atmósferas. Hoy día el hidrógeno es un subproducto de la industria del petróleo. Los hidrocarburos de cadena larga se rompen en presencia de arcillas (craking térmico), y luego tiene lugar un proceso de "reforming" sobre las moléculas más ligeras. En el transcurso de estos procesos se libera gran cantidad de hidrógeno, que se emplea en la síntesis de amoniaco. Electrodeposición de Cobre sobre aleaciones de Zn
La electrodeposición de cobre desde un baño alcalino se ha convertido en un proceso
fundamental en la aplicación de los sistemas Cobre/Niquel/Cromo sobre las aleaciones de Zinc. Estas aleaciones son económicas y fácilmente procesables, pero son económicas y fácilmente procesables, pero son muy reactivas, no siendo posible la aplicación de metales desde baños ácidos, puesto que el proceso de electrodepósito le acompañaría la corrosión del substrato generando numerosas ampollas. El depósito de Cobre aplicado desde un baño alcalino debe ser compacto y aislar perfectamente al sustrato de los posteriores baños ácidos de Niquel. En ello, las condiciones de trabajo y la composición del baño jugarán un importante papel. En la actualidad la utilización de los tensoactivos (Aniónicos y no iónicos) y de abrillantadores de Selenio favorecen la compactación y el brillo del depósito. Sin embargo, son todavía importantes las mejoras que la ciencia puede aportar a este proceso, tanto desde el punto de vista de brillo y resistencia a la corrosión como desde el punto de vista medioambiental. En colaboración con la empresa EGOKI S. Coop. de Irún y con el centro de investigación y transferencia de tecnología CIDETEC, del Parque Tecnológico de Miramón, venimos desarrollando diversos estudios que permitan afrontar con exito los numerosos problemas tecnológicos que padece el sector de la Galvanotécnia. Conclusión
Este trabajo me a servido para entender mejor los procesos de oxido reducción y como estos son mucho mas comunes de lo que yo pensaba, ya que estos procesos se pueden ver en algo tan simple y común como una pila, además se pueden ver en cosas tan importantes para la sobre vivencia humana como los procesos de purificado de las aguas servidas, además me ha servido para saber como la química actúa en el revelado de una foto. También me a servido para saber que la química no es solamente algo de laboratorio sino que esta en todo nuestro alrededor constantemente en actividad, ayudando a nuestras vidas y haciéndolas más fáciles. Bibliografía
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